EP3562727B1 - Method for supplying air at a controlled temperature to a cabin of a land vehicle, and land vehicle - Google Patents
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- EP3562727B1 EP3562727B1 EP17826530.2A EP17826530A EP3562727B1 EP 3562727 B1 EP3562727 B1 EP 3562727B1 EP 17826530 A EP17826530 A EP 17826530A EP 3562727 B1 EP3562727 B1 EP 3562727B1
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Definitions
- the invention relates to a method of supplying air at controlled temperature to a cabin of a land vehicle - in particular a railway vehicle - in which at least one air cycle device is used. It extends to a land vehicle - in particular a rail vehicle - comprising at least one air cycle device.
- Most environmental control systems (often designated by the acronym ECS) allowing air conditioning on board land vehicles include at least one two-phase cycle device (often denoted by the acronym VCS), that is to say comprising a fluid two-phase liquid / vapor coolant driven in a closed thermal loop comprising at least one compressor and one evaporator, the vaporization of the heat transfer fluid causing the production of cold power allowing the air to be cooled in the cabin.
- VCS two-phase cycle device
- heating is usually done by electric heaters. It is rarely possible to envisage reheating by inversion of the heat pump cycle, given the fact that the ranges of environmental conditions in which the operation of the heat pump cycle is possible are relatively restricted and insufficient in the context operating on board a land vehicle likely to encounter various environmental conditions.
- an electric heater whose coefficient of performance is not greater than 1, must be placed downstream of the air / air exchanger for heating the air in the cabin.
- the document GB 2 237 373 A also describes an air conditioning method and device.
- the invention therefore aims to overcome all of these drawbacks.
- It aims in particular to propose a method of supplying air at controlled temperature with an air cycle for the cabin of a land vehicle having a reduced overall height - in particular compatible with its installation on the roof of railway vehicles -, and which is reliable and robust. , light, simple, inexpensive to install and maintain, and effective in all environmental conditions that may potentially be encountered.
- the invention also aims to provide a land vehicle having the same advantages.
- the air conditioning is obtained by at least one motorized turbocharger, the compressor of which receives air at a pressure greater than or equal to atmospheric pressure.
- the air flow through the loop can be limited to the flow of fresh air to be supplied to the cabin. It is thus typically divided by 2 with respect to the air flow through the reverse loop of the second type of state of the art solution mentioned above.
- the pressures in the loop typically go from a value of the order of 0.5 10 5 Pa to a value of the order of 3 10 5 Pa, that is to say they are multiplied by 6.
- the cooling of the exchangers can be carried out using simple electric fans.
- each air cycle device comprises one and only one turbocharger, and can be configured and adjusted during manufacture in the factory, installation on board the. vehicle being limited to the connection of the air inlets and air outlets of the air cycle device to the corresponding pipes of the vehicle.
- the number of air cycle device (s) and / or the number of turbocharger (s) can be adjusted according to the thermal power required for each vehicle.
- a vehicle according to the invention for example advantageously comprises a plurality of air cycle devices - in particular between 2 and 10 air cycle devices each comprising one and only one turbocharger.
- the invention also extends to a method for supplying air at controlled temperature implemented in a land vehicle according to the invention. It also extends to a land vehicle in which a temperature-controlled air supply method according to the invention is implemented.
- the invention also relates to a temperature-controlled air supply method and a land vehicle characterized, in combination or not, by all or some of the characteristics mentioned above or below. Whatever the formal presentation which is given, unless explicitly indicated otherwise, the various characteristics mentioned above or below should not be considered as closely or inextricably linked to each other, the invention being able to relate to only one of these structural or functional characteristics, or only part of one of these structural or functional characteristics, or any grouping, combination or juxtaposition of all or part of these structural or functional characteristics.
- the air cycle device allows environmental control (air conditioning by cooling or heating) of a cabin 10 of a land vehicle according to the invention. It comprises a turbocharger 11 powered by an electric motor 12 driving a shaft 13 of the turbocharger 11 coupled to a rotary turbine 14 and to a rotary compressor 15.
- a motorized turbocharger 11 is known in itself and can be the subject of numerous variant embodiments, in particular as regards the type of turbine (axial or radial), the type of compressor (axial or radial), the type electric motor, the assembly of the shaft and the bearings (for example aerodynamic bearings or magnetic bearings), the relative arrangement of the wheels and / or the motor ...
- the turbine 14 has an air inlet 16 and an outlet 17 for expanded and cooled air.
- the compressor 15 comprises an air inlet 18 and an outlet 19 of compressed and heated air.
- a first circuit of an air / air intermediate exchanger 20 is interposed between the compressor 15 and the turbine 14.
- This intermediate exchanger 20 has a second air circuit supplied by an air flow driven by at least one electric fan 21.
- This air flow can be formed by a flow of ambient outside air taken from outside the vehicle at ambient temperature, of a flow of stale air discharged from the cabin 10 (in particular for the renewal of the air. in the cabin 10) by a pipe 34, and their mixtures.
- the air flow passing through the second air circuit of the intermediate exchanger 20 is therefore at a temperature between the temperature outside the vehicle and the temperature prevailing in the cabin 10. After passing through the second air circuit of the intermediate exchanger 20, this air flow is rejected to the outside.
- a moisture extraction loop 22 is interposed between the first circuit of the intermediate exchanger 20 and the turbine 14.
- This humidity extraction loop 22 successively comprises, from the intermediate exchanger 20, a first circuit of an air / air heat exchanger 23, a first circuit of an air / air condenser heat exchanger 24, a device 25 for extracting liquid water, a second circuit of the heater 23, the outlet of which is connected to the inlet of the turbine 14.
- the outlet of the turbine 14 is connected to a second circuit of the condenser 24, the latter supplying a chamber of mixture 26 supplying the cabin 10.
- the mixing chamber 26 can also receive, on the one hand, a flow of recirculation air extracted from the cabin 10 by electric fans 27, 28 and, on the other hand, a flow of fresh air taken from outside the vehicle, thanks to these electric fans 27, 28 if the cold thermal power required in the cabin 10 is such that the air flow delivered by the turbine 14 is not sufficient to cover the need for renewal of air in the cabin 10.
- the air outlet 19 of the compressor 15 can be connected to the air inlet 16 of the turbine 14 via a first circuit of an air / air heat exchanger, called the cabin heating exchanger 32, the second circuit of which is interposed between the mixing chamber 26 and the cabin 10.
- Each heat exchanger 20, 23, 24, 32 allows heat transfer between its first circuit (first "pass") and its second circuit (second "pass”), according to the temperature difference of the air flows respectively passing through these two circuits.
- a regulation unit 30 comprising in particular an electronic and / or computer automation and a power converter allows the control of the electric motor 12 at a speed of rotation determined by a servo-control according to the cold or hot thermal power to be delivered in the cabin. 10, itself determined as a function of the temperature measured in the cabin 10 by a temperature sensor 31, and of a setpoint temperature determined by a user of the vehicle.
- This control is carried out by the regulation unit 30 according to a closed-loop servo-control with a law for controlling the speed of rotation of the motor as a function of the temperature of the air delivered to the inlet of the mixing chamber 26, itself determined as a function of the set temperature, of the temperature measured in the cabin 10, and of the temperatures and air flow rates entering the mixing chamber 26 and leaving the latter.
- the flow of air entering the cabin 10 is measured by a flow sensor 56.
- the air flow leaving the cabin 10 is measured by a flow sensor 57.
- These flow rates are also controlled by the regulation unit 30, in particular as a function of a quantity of fresh renewal air to be brought into the cabin 10, which can be determined itself by means of a carbon dioxide sensor 37. in cabin 10, making it possible to estimate the occupancy rate of the latter.
- the air cycle device also includes a set of conduits and controlled valves, and the control unit is also connected to each of the controlled valves to control the state thereof so as to select an operating mode of the cycle device. air from a cooling mode and a heating mode, this operating mode being able to be selected manually by the user or determined automatically by the control unit itself as a function in particular of the difference between the temperature measured at the inside the cabin 10 and the outside temperature measured by a temperature sensor 33 connected to the control unit 30.
- the air inlet 18 of the compressor 15 comprises a three-way controlled valve 40, an inlet 41 of which is connected by a pipe 42 to the first circuit of the intermediate exchanger 20, an inlet 43 is supplied with fresh outside air 58, and having an outlet 44 connected to the air inlet 18 of the compressor 15.
- the air outlet 19 of the compressor 15 is connected to an inlet 46 of a controlled three-way valve 45, an outlet 47 of which is connected to the pipe 42 leading to the first circuit of the intermediate exchanger 20 (pipe 42 connecting the inlet air 18 from the compressor 15 to the first circuit of the intermediate exchanger 20), and an outlet 48 of which is connected to the first circuit of the cabin heating exchanger 32.
- a controlled valve 49 is interposed between the air outlet 17 of the turbine 14 and the mixing chamber 26, for example between the outlet of the second circuit of the condenser heat exchanger 24 and the inlet of the mixing chamber 26. .
- a controlled three-way valve 50 is interposed between the first circuit of the intermediate exchanger 20 and a pipe 51 connecting the air outlet 17 of the turbine 14 to the first circuit of the heat exchanger 24. condenser.
- This valve 50 comprises an inlet 52 connected to the pipe 51; an output 53 connected to the input of the moisture extraction loop 22, that is to say to the first circuit of the reheater heat exchanger 23; and an inlet / outlet 54 connected to the first circuit of the intermediate exchanger 20.
- a controlled valve 55 makes it possible to supply the mixing chamber 26 with fresh outside air 58.
- control logic of such a unit 30 for regulating an air cycle device is, moreover, well known in itself and can be the subject of all variant embodiments.
- control unit 30 places the various valves 40, 45, 49, 50, 55 controlled in the state shown figure 1 .
- the valve 40 connects its inlet 43 to its outlet 44 and its inlet 41 is closed.
- the air inlet 18 of the compressor 15 receives fresh outside air 58 taken directly at atmospheric pressure or at the dynamic pressure resulting from the movement of the vehicle at a pressure greater than atmospheric pressure. It should be noted in this regard that the air cycle device is free from any other electric compressor, the compression of the air in the loop being obtained exclusively and entirely by the compressor 15 of the turbocharger 11.
- the valve 45 connects its inlet 46 to its outlet 47 connected to the first circuit of the intermediate exchanger 20, and its other outlet 48 is closed.
- the air outlet 19 of the compressor 15 supplies the first circuit of the intermediate exchanger 20 which constitutes the hot pass of this intermediate exchanger 20, the flow of compressed air heated by the compressor 15 being cooled in this intermediate exchanger 20 by the air flow circulating in the second circuit of the intermediate exchanger 20, which constitutes the cold pass of the latter.
- the second air circuit of the intermediate exchanger 20 is supplied by an air flow driven by at least one electric fan 21.
- This air flow can be chosen among an outside air flow 58 taken from outside the vehicle at ambient temperature, a flow of stale air discharged from the cabin 10 (in particular for the renewal of the air in the cabin 10) via the pipe 34 , and their mixtures.
- the air flow passing through the second air circuit of the intermediate exchanger 20 is therefore at a temperature between the temperature outside the vehicle and the temperature prevailing in the cabin 10. After passing through the second air circuit of the intermediate exchanger 20, this air flow is rejected to the outside through an outlet 59.
- the flow of compressed and cooled air at the outlet of the first circuit of the intermediate exchanger 20 is supplied to the first circuit of the heater 23 then to the device 25 for extracting humidity then to the second circuit of the heater 23 then to the air inlet 16 of the turbine 14 in which it is cooled and expanded.
- the intermediate exchanger 20 is therefore, in this cooling mode, an intermediate exchanger 20 for cooling the compressed air delivered by the compressor 15.
- the valve 50 connects the first circuit of the intermediate exchanger 20 to the first circuit of the heater 23. , and the inlet 52 of the valve 50 connected to the outlet pipe 51 of the turbine 14 is closed.
- the expansion in the turbine 14 also makes it possible to create a mechanical work which is added to that of the electric motor to drive the compressor in rotation, and to initiate the cycle on starting.
- the turbine 14 thus makes it possible to increase the mechanical work delivered to the compressor 15, the speed of rotation of the motor 12 being adjusted by the control unit 30 to obtain a temperature value at the outlet of the turbine 14 suitable for cooling the machine.
- the valve 49 is opened so that the air leaving the turbine 14 feeds the mixing chamber 26 via the second circuit of the condenser 24.
- the valve 55 is assumed to be closed for the nominal operating point. It can be more or less open depending on a quantity of outdoor fresh air flow 58 necessary to supply the cabin with oxygen.
- the flow of air cooled and expanded by the turbine 14 passing through the second circuit of the condenser 24 makes it possible to lower the temperature of the flow of air passing through the first circuit of this condenser 24 up to a value allowing water condensation.
- the water extracted by the moisture extraction device 25 is advantageously introduced via a pipe 38 into the second circuit of the intermediate exchanger 20 in order to be evaporated there and to help lower the cooling temperature.
- the heater 23 then makes it possible to recover the heat energy of the air flow at the outlet of the intermediate exchanger 20 by heating the air flow leaving the first circuit of the condenser 24 before its introduction into the turbine 14.
- the mixing chamber 26 is also supplied with recirculation air coming from the cabin via the pipe 29 by the fans 27, 28 which also supply the cabin 10 with air coming from the mixing chamber 26 via the second circuit of the exchanger.
- 32 cabin heater which is inactive, the first circuit of this cabin heater exchanger 32 not being supplied.
- the air cycle device performs a direct open loop air cycle from the motorized turbocharger 11.
- the pressure in the loop corresponds to that delivered by the compressor 15, greater than atmospheric pressure, typically of the order of 3 10 5 Pa.
- control unit 30 places the various valves 40, 45, 49, 50, 55 controlled in the state shown figure 2 .
- the valve 40 connects its inlet 41 to its outlet 44 and its inlet 43 is closed.
- the valve 50 connects its inlet 52 connected to the air outlet 17 of the turbine 14 to the inlet / outlet 54 connected to the first circuit of the intermediate exchanger 20, and the outlet 53 of the valve 50 connected to the heater 23 is closed.
- Valve 49 is closed.
- the air inlet 18 of the compressor 15 thus receives a flow of expanded air coming from the turbine 14 via the first circuit of the intermediate exchanger 20, suitable for heating the expanded and cooled air delivered by the turbine 14 in contact with an air flow passing through the second circuit of the intermediate exchanger 20, the latter being at a temperature between the temperature outside the vehicle and the temperature prevailing in the cabin 10.
- a pipe 35 is connected in parallel to the air inlet 18 of the compressor 15, that is to say in the example shown in the pipe 42, preferably via a valve 36 to allow the introduction of fresh outside air 58 into the loop by suction by the compressor 15 as a function of the leaks occurring in the loop and in the turbocharger 11.
- the pressure of the air at the air inlet 18 of the compressor 15 is equal to atmospheric pressure.
- the valve 45 connects its inlet 46 to its outlet 48 connected to the first circuit of the cabin heating exchanger 32, and its other outlet 47 is closed.
- the air outlet 19 of the compressor 15 is connected to the air inlet 16 of the turbine 14 via the first circuit of the cabin heating exchanger 32, the second circuit of which is interposed between the mixing chamber 26 and the cabin 10, so that a flow of air delivered by the mixing chamber 26 is heated in this cabin heating exchanger 32 by the calories of the hot compressed air passing through the first circuit of the exchanger 32 of cabin heating.
- This air flow delivered by the mixing chamber 26 is formed by the mixing of the recirculation air coming from the cabin 10 connected to the mixing chamber by a pipe 29 and the fresh outside air 58 supplied into the mixing chamber 26 by the valve 55 which is open.
- the fans 27, 28 ensure the mixing and flow of the air at the outlet of the mixing chamber 26.
- the air After passing through the turbine 14, the air is expanded and cooled to a temperature much lower than the temperature of the cabin and the outside temperature, typically of the order of -40 ° C.
- the expansion in the turbine is accompanied the creation of a mechanical work which is added to that of the electric motor 12 to drive the compressor 15 in rotation.
- the first circuit of the air / air intermediate exchanger 20 is interposed between the turbine 14 and the compressor 15. It receives the flow of expanded and cooled air from the turbine 14 in order to heat it before delivering it to the inlet. air 18 of the compressor 15.
- the second air circuit of the intermediate exchanger 20 is supplied by an air flow driven by at least one electric fan 21. This air flow can be chosen from an external air flow 58 taken from outside the vehicle at ambient temperature, a stale air flow discharged from the cabin 10 (in particular for the renewal of the air in the cabin 10) via line 34, and their mixtures.
- the air flow passing through the second circuit air from the intermediate exchanger 20 is therefore at a temperature between the temperature outside the vehicle and the temperature prevailing in the cabin 10. After passing through the second air circuit of the intermediate exchanger 20, this air flow is rejected to the outside through the outlet 59. In heating mode, the intermediate exchanger 20 is therefore an intermediate reheating exchanger 20.
- Tables 1 and 2 below give, by way of nonlimiting example, various typical values of flow rate, pressure and temperature at the air inlets and outlets of the turbine 14 of the compressor 15 of the turbocharger 11 which can be obtained in the first embodiment of the invention.
- Table 1 Cooling mode Settings Temperature Pressure (10 5 Pa) Debit Compressor input 35 ° C 1 0.4 kg / s Compressor output 183 ° C 3.1 0.4 kg / s Turbine inlet 35 ° C 3.05 0.39 kg / s Turbine output -19 ° C 1.05 0.39 kg / s Heating mode Settings Temperature Pressure (10 5 Pa) Debit Compressor input 0 ° C 1 0.3 kg / s Compressor output 100 ° C 2.5 0.3 kg / s Turbine inlet 10 ° C 2.45 0.3 kg / s Turbine output -40 ° C 1.05 0.3 kg / s
- the air cycle device performs an inverted closed loop cycle forming a heat pump with the turbocharger 11, the stages of this turbocharger 11 having substantially the same operating conditions as in cooling mode, the ventilation circuits being the same as in the cooling mode.
- the hot thermal power is thus generated with an efficiency greater than 1.
- the operating pressures in the different parts of the air cycle device are all greater than atmospheric pressure, which makes it possible to reduce the sections and dimensions of the pipes and the components (valves, volutes and impellers of the turbocharger. .), and therefore the overall size and cost of each air cycle device.
- the second embodiment shown in figures 3 and 4 differs from the first embodiment in that it makes it possible to dispense with the cabin heating exchanger 32, the intermediate exchanger 20 being used for heating. In addition, this second embodiment also makes it possible to reduce the number of valves.
- the three-way valve 40 at the inlet 18 of the compressor 15 of the first embodiment is replaced by a four-way valve 60 connected to an outside fresh air inlet 58, to the pipe 34 for taking air from the cabin 10, by a pipe 64 to the inlet 18 of the compressor 15, and to a pipe 61 which connects it to the inlet of the second circuit of the intermediate exchanger 20.
- the valve 55 at the inlet of the mixing chamber 26 of the first embodiment is replaced by a four-way valve 62 connected to an inlet 58 of fresh outside air, to a pipe 63 connected to the outlet of the second circuit of the valve.
- 'Intermediate exchanger 20 at an air outlet 59 outside the cabin 10, and via a pipe 67 at the inlet of the mixing chamber 26.
- the valve 49 at the outlet of the condenser 24 of the first embodiment is replaced by a three-way valve 65 having an outlet towards the mixing chamber 26 and another outlet towards a mouth 59 for discharging the air out of the cabin. 10.
- control unit 30 places the various valves 60, 62, 65 controlled in the state shown figure 3 .
- the operation is similar to the cooling mode of the first embodiment.
- the valve 60 connects the air inlet 18 of the compressor 15 to the fresh outside air inlet 58 at the dynamic pressure resulting from the movement of the vehicle at a pressure greater than atmospheric pressure. It also connects the pipe 34 coming from the cabin 10 to the pipe 61 in communication with the second circuit of the intermediate exchanger 20.
- the air outlet 19 of the compressor 15 supplies the first circuit of the intermediate exchanger 20 which constitutes the hot pass of this intermediate exchanger 20, the flow of compressed air heated by the compressor 15 being cooled in this intermediate exchanger 20 by the air flow circulating in the second circuit of the intermediate exchanger 20, which constitutes the cold pass of the latter.
- the second air circuit of the intermediate exchanger 20 is supplied by an air flow driven by at least one electric fan 21. This air flow can be chosen from an outside air flow 58 taken from outside the vehicle at ambient temperature, an air flow evacuated from the cabin 10 via the pipe 34, and their mixtures.
- the air flow passing through the second air circuit of the intermediate exchanger 20 is therefore at a temperature between the temperature outside the vehicle and the temperature prevailing in the cabin 10.
- the intermediate exchanger 20 After passing through the second air circuit of the exchanger 20 intermediate this air flow supplied by the pipe 63 to the valve 62 which puts it in communication with the outlet opening 59, so that this air flow is rejected to the outside.
- the intermediate exchanger 20 is therefore, in this cooling mode, an intermediate exchanger 20 for cooling the compressed air delivered by the compressor 15.
- the flow of compressed and cooled air at the outlet of the first circuit of the intermediate exchanger 20 follows the same circuit as in the first embodiment up to the valve 65 which delivers the flow of cooled air to the chamber 26 of mixed.
- the expansion in the turbine 14 makes it possible, here again, to create a mechanical work which is added to that of the electric motor 12 to drive the compressor 15 in rotation, and to initiate the cycle on starting.
- the turbine 14 thus makes it possible to increase the mechanical work delivered to the compressor 15, the speed of rotation of the motor 12 being adjusted by the control unit 30 to obtain a temperature value at the outlet of the turbine 14 suitable for cooling the machine.
- the valve 65 is open so that the air leaving the turbine 14 feeds the mixing chamber 26 via the second circuit of the condenser 24.
- the valve 62 is assumed to be closed between the fresh air inlet 58 and the chamber 26 of the condenser. mixture for the nominal operating point. It can be more or less open depending on a quantity of outdoor fresh air flow 58 necessary to supply the cabin with oxygen.
- the mixing chamber 26 is also supplied with recirculation air coming from the cabin via the duct 29 by the fans 27, 28 which also supply the cabin 10 with air coming from the mixing chamber 26.
- the air cycle device performs a direct open loop air cycle from the motorized turbocharger 11.
- the pressure in the loop corresponds to that delivered by the compressor 15, greater than atmospheric pressure, typically of the order of 3 10 5 Pa.
- the control unit 30 places the various valves 60, 62, 65 controlled in the state shown figure 4 .
- the valve 60 receives air in line 34 from the cabin 10 and directs a portion of this air, corresponding to the air flow to be evacuated from the cabin to the outside for the renewal of air in the cabin, to the air inlet 18 of the compressor 15 via the pipe 64.
- This air flow follows the same circuit as in the cooling mode but, at the outlet of the second circuit of the condenser 24, the valve 65 directs this air flow to the outlet 59 to discharge it outside the vehicle.
- the air coming from the second circuit of the intermediate exchanger 20 has been heated by the flow of compressed air delivered by the compressor 15 into the first circuit of this intermediate exchanger 20.
- This flow of heated air delivered in the duct 63 is directed by the valve 62 at the inlet of the mixing chamber 26 to produce the calories allowing the heating of the cabin.
- This heated air flow comes from the air flow supplied to the inlet of the second heating circuit.
- the intermediate exchanger 20 which can be formed by a flow of fresh air coming from an inlet 58 of outside fresh air and / or a flow of recirculating air coming from the cabin via the pipe 61 and valve 60.
- the main air circuit circulating in the turbocharger 11 and a flow of air discharged to the outside which may correspond to the flow of air to be extracted from the cabin 10 for the renewal of oxygen in the cabin 10, and which serves to heat the air flow supplying the mixing chamber 26 and therefore the cabin by virtue of the intermediate exchanger 20 which acts as a heating exchanger.
- the air inlet 18 of the compressor 15 can be supplied directly by a specific air intake coming from the cabin 10, for example for the discharge. of stale air to the outside, along a different duct from the recirculation and heating air passing through the second circuit of the intermediate exchanger.
- Table 3 gives, by way of nonlimiting example, various typical values of flow rate, pressure and temperature at the air inlets and outlets of the turbine 14 of the compressor 15 of the turbocharger 11 that can be obtained in the second embodiment of the invention in heating mode.
- Table 3 Heating mode Settings Temperature Pressure (10 5 Pa) Debit Compressor input 20 ° C 1 0.3 kg / s Compressor output 130 ° C 2.5 0.3 kg / s Turbine inlet 30 ° C 2.45 0.3 kg / s Turbine output -20 ° C 1 0.3 kg / s
- An air cycle device of a vehicle according to the invention can in particular be in the form of a compact air conditioning unit (ECS) in one piece integrating all of its components.
- ECS compact air conditioning unit
- Such a reversible air conditioning unit can be multiplied on board a land vehicle according to the invention as a function of the cold or hot thermal power required in the cabin 10.
- a single DHW air conditioning group can be used in land vehicles according to the invention very diverse, for applications in very hot and / or very humid areas, or on the contrary very cold and / or very dry.
- a land vehicle according to the invention comprising a plurality of air cycle devices and / or a plurality of air conditioning units also makes it possible to ensure at least partial maintenance of the environmental control function in the cabin 10 in the event of failure of one of the air cycle devices and / or one of the air conditioning units.
- a vehicle according to the invention comprising a plurality of air cycle devices advantageously also comprises a central control unit making it possible to control the various air cycle devices and their respective regulation units. None prevents providing that the functions of the control units of the various air cycle devices are at least partly centralized in such a central control unit.
- a vehicle according to the invention comprising a plurality of air conditioning groups advantageously also comprises a central control unit making it possible to control the various air conditioning groups, in particular the various air conditioning groups associated with the same cabin 10 of the vehicle.
- At least one cooling loop with liquid or two-phase coolant can be associated in series or in parallel on at least one air circuit of at least one air cycle device and / or at least one group.
- for DHW air conditioning of a vehicle according to the invention for cooling heat sources on board the vehicle, for example electric or electronic power circuits.
- the invention applies most particularly advantageously to a railway vehicle, in particular for passenger transport trains. It nevertheless applies to all other land vehicles in which the same technical problems arise, in particular rolling vehicles (motor cars, buses, trucks, etc.) and vehicles moving on water (ships).
Description
L'invention concerne un procédé d'alimentation en air à température contrôlée d'une cabine de véhicule terrestre -notamment ferroviaire- dans lequel on utilise au moins un dispositif à cycle à air. Elle s'étend à un véhicule terrestre -notamment ferroviaire- comprenant au moins un dispositif à cycle à air.The invention relates to a method of supplying air at controlled temperature to a cabin of a land vehicle - in particular a railway vehicle - in which at least one air cycle device is used. It extends to a land vehicle - in particular a rail vehicle - comprising at least one air cycle device.
Dans tout le texte, on adopte la terminologie suivante :
- « véhicule terrestre » désigne tout véhicule de transport à la surface de la terre dans l'atmosphère, et englobe en particulier les véhicules roulant (véhicules ferroviaires roulant sur rails et véhicules routiers), et les navires (véhicules se déplaçant sur l'eau) ; à l'exclusion en particulier des engins volants tels que les aéronefs, les engins spatiaux et les sous-marins pour lesquels les problèmes techniques qui se posent sont très différents, notamment en raison des besoins spécifiques de pressurisation de la cabine,
- « cabine » désigne tout espace clos d'un véhicule dans lequel la température de l'air doit être contrôlée, et englobe en particulier les cabines pour passagers, les postes de pilotage et les soutes à bagages ou à transport de fret à température contrôlée,
- « conditionnement d'air » désigne le fait de contrôler au moins la température de l'air dans une cabine en le refroidissant ou en le réchauffant ; le conditionnement d'air dans une cabine peut également éventuellement permettre de contrôler au moins un autre paramètre de l'air dans la cabine, notamment choisi parmi l'humidité, la pression, un débit d'air entrant dans la cabine, un débit d'air sortant de la cabine.
- "Land vehicle" means any transport vehicle on the earth's surface in the atmosphere, and includes in particular rolling vehicles (rail vehicles running on rails and road vehicles), and ships (vehicles moving on water) ; with the exception in particular of flying vehicles such as aircraft, spacecraft and submarines for which the technical problems which arise are very different, in particular because of the specific needs of cabin pressurization,
- "Cabin" means any enclosed space of a vehicle in which the air temperature must be controlled, and includes in particular passenger cabins, cockpits and baggage or cargo compartments at controlled temperature,
- "Air conditioning" means controlling at least the temperature of the air in a cabin by cooling or heating it; air conditioning in a cabin can also optionally make it possible to control at least one other parameter of the air in the cabin, in particular chosen from humidity, pressure, an air flow rate entering the cabin, a flow rate of air coming out of the cabin.
La plupart des systèmes de contrôle environnemental (souvent désignés par le sigle ECS) permettant la climatisation à bord des véhicules terrestres comportent au moins un dispositif à cycle diphasique (souvent désignée par le sigle VCS), c'est-à-dire comprenant un fluide caloporteur diphasique liquide/vapeur entraîné dans une boucle thermique fermée comprenant au moins un compresseur et un évaporateur, la vaporisation du fluide caloporteur entraînant la production d'une puissance froide permettant le refroidissement d'air de la cabine. Avec ces systèmes, le chauffage est en général réalisé par des réchauffeurs électriques. Il est rarement possible d'envisager un réchauffage par inversion du cycle en pompe à chaleur, compte tenu du fait que les plages de conditions environnementales dans lesquelles le fonctionnement du cycle en pompe à chaleur est possible, sont relativement restreintes, et insuffisantes dans le cadre de l'exploitation à bord d'un véhicule terrestre susceptible de rencontrer des conditions environnementales variées.Most environmental control systems (often designated by the acronym ECS) allowing air conditioning on board land vehicles include at least one two-phase cycle device (often denoted by the acronym VCS), that is to say comprising a fluid two-phase liquid / vapor coolant driven in a closed thermal loop comprising at least one compressor and one evaporator, the vaporization of the heat transfer fluid causing the production of cold power allowing the air to be cooled in the cabin. With those systems, heating is usually done by electric heaters. It is rarely possible to envisage reheating by inversion of the heat pump cycle, given the fact that the ranges of environmental conditions in which the operation of the heat pump cycle is possible are relatively restricted and insufficient in the context operating on board a land vehicle likely to encounter various environmental conditions.
Ces systèmes à cycle diphasique présentent l'inconvénient de nécessiter des fluides caloporteurs qui sont halogénocarbonés (chlorofluorocarbures (CFC), hydrochlorofluorocarbures (HCFC), hydrofluorocarbures (HFC)) ou des hydrofluoroléfines (HFO) qui, en raison de leur nocivité pour l'environnement et/ou de leur dangerosité pour l'homme (destruction de la couche d'ozone, fort potentiel de réchauffement global, impératifs de récupération par des structures habilitées, toxicité, risque d'inflammation...), sont appelés à disparaître. En outre, il s'avère que ces cycles diphasiques sont mal adaptés aux températures extérieures élevées, et peuvent s'interrompre dans les conditions environnementales dans lesquelles les besoins de climatisation sont précisément les plus importants. Il en résulte une gêne considérable pour les passagers, voire même des risques en matière de sécurité ou de conservation de marchandises.These two-phase cycle systems have the drawback of requiring heat transfer fluids which are halocarbon (chlorofluorocarbons (CFC), hydrochlorofluorocarbons (HCFC), hydrofluorocarbons (HFC)) or hydrofluorolefins (HFO) which, due to their harmfulness to the environment and / or their dangerousness for humans (destruction of the ozone layer, strong global warming potential, imperatives of recovery by authorized structures, toxicity, risk of ignition, etc.), are bound to disappear. In addition, it turns out that these two-phase cycles are poorly adapted to high outside temperatures, and can be interrupted in environmental conditions in which the air conditioning needs are precisely the most important. This results in considerable inconvenience for passengers, and even risks in terms of security or conservation of goods.
En conséquence, le besoin se fait sentir de proposer un procédé et un dispositif d'alimentation en air à température contrôlée pour cabine de véhicule terrestre à base d'un cycle à air monophasique, c'est-à-dire par utilisation uniquement d'air gazeux à titre de fluide caloporteur.Accordingly, there is a need to provide a temperature controlled air supply method and device for a land vehicle cabin based on a single phase air cycle, i.e. by using only air. gaseous air as heat transfer fluid.
Deux types de solution ont été proposés à cette fin.Two types of solution have been proposed for this purpose.
Dans un premier type de solution connue (
Dans un deuxième type de solution connu (
Ce deuxième type de solution donne globalement satisfaction en termes de fiabilité et de performances, et fait l'objet d'une exploitation depuis plus de 10 ans à bord de trains, notamment en Allemagne. Elle présente cependant l'inconvénient d'un encombrement relativement important, en particulier en hauteur. En effet, le débit d'air dans le cycle du turbocompresseur s'effectuant à une pression inférieure à la pression atmosphérique (typiquement de l'ordre de 0,5 105 Pa) impose l'utilisation de composants volumineux : tuyaux de grosses sections, volutes de grand diamètre, vitesse de rotation du turbocompresseur relativement faible. Or, cet encombrement en hauteur peut s'avérer particulièrement pénalisant en particulier pour les véhicules ferroviaires dans lesquels les groupes de conditionnement d'air sont en général placés en toiture, et dont la hauteur totale est limitée d'une part pour le passage sous les ponts ou dans les tunnels et d'autre part pour favoriser l'aérodynamique du véhicule. Tel est le cas en particulier pour les trains à grande vitesse.This second type of solution is generally satisfactory in terms of reliability and performance, and has been used for more than 10 years on board trains, especially in Germany. However, it has the drawback of a relatively large size, in particular in height. Indeed, the air flow in the cycle of the turbocharger taking place at a pressure lower than atmospheric pressure (typically of the order of 0.5 10 5 Pa) requires the use of bulky components: pipes with large sections , large diameter volutes, relatively low turbocharger rotational speed. However, this height requirement can prove to be particularly penalizing, in particular for rail vehicles in which groups of air conditioning systems are generally placed on the roof, and the total height of which is limited on the one hand for passage under bridges or in tunnels and on the other hand to promote the aerodynamics of the vehicle. This is the case in particular for high speed trains.
En outre, dans ces deux types de solution, un réchauffeur électrique, dont le coefficient de performance n'est pas supérieur à 1, doit être placé en aval de l'échangeur air/air pour le chauffage de l'air de la cabine.In addition, in these two types of solution, an electric heater, whose coefficient of performance is not greater than 1, must be placed downstream of the air / air exchanger for heating the air in the cabin.
Le document
L'invention vise donc à pallier l'ensemble de ces inconvénients.The invention therefore aims to overcome all of these drawbacks.
Elle vise en particulier à proposer un procédé d'alimentation en air à température contrôlée à cycle à air pour cabine de véhicule terrestre présentant un encombrement en hauteur réduit -notamment compatible avec son installation en toiture de véhicules ferroviaires-, et qui soit fiable et robuste, léger, simple, peu coûteux à l'installation et pour sa maintenance, et efficace dans toutes les conditions environnementales pouvant être potentiellement rencontrées.It aims in particular to propose a method of supplying air at controlled temperature with an air cycle for the cabin of a land vehicle having a reduced overall height - in particular compatible with its installation on the roof of railway vehicles -, and which is reliable and robust. , light, simple, inexpensive to install and maintain, and effective in all environmental conditions that may potentially be encountered.
Elle vise également à proposer un tel procédé entraînant une moindre consommation énergétique du véhicule, et en particulier dans lequel le chauffage de la cabine peut être réalisé avec un coefficient de performance supérieur à 1.It also aims to propose such a method resulting in lower energy consumption of the vehicle, and in particular in which the heating of the cabin can be carried out with a coefficient of performance greater than 1.
Elle vise également à proposer un tel procédé permettant, à partir d'un même dispositif à cycle à air, de moduler aisément la capacité de production en puissance thermique froide ou chaude en fonction des besoins de l'application, et d'assurer la redondance partielle de la fonction de conditionnement d'air en cas de défaillance partielle. Ainsi, elle vise à proposer un procédé aisément adaptable à un grand nombre de véhicules terrestres différents, présentant des besoins de conditionnement d'air pouvant varier dans une large gamme, sans nécessiter une conception et une fabrication de groupes de conditionnement d'air et de turbomachines spécifiques à chaque application.It also aims to propose such a method making it possible, from the same air cycle device, to easily modulate the production capacity in cold or hot thermal power according to the needs of the application, and to ensure redundancy. partial air conditioning function in case of partial failure. Thus, it aims to provide a process that is easily adaptable to a large number of different land vehicles, having air conditioning needs that can vary over a wide range, without require the design and manufacture of air conditioning units and turbomachines specific to each application.
L'invention vise également à proposer un véhicule terrestre présentant les mêmes avantages.The invention also aims to provide a land vehicle having the same advantages.
L'invention concerne donc un procédé d'alimentation en air à température contrôlée dans une cabine de véhicule terrestre -notamment ferroviaire- dans lequel on utilise au moins un dispositif à cycle à air, comportant :
- au moins un turbocompresseur comprenant :
- ∘ un compresseur rotatif,
- ∘ une turbine rotative,
- ∘ un arbre couplant la turbine et le compresseur de telle sorte que la turbine est apte à entraîner le compresseur en rotation,
- ∘ une entrée d'air du compresseur,
- ∘ une sortie d'air du compresseur délivrant un débit d'air comprimé par le compresseur,
- ∘ une entrée d'air de la turbine agencée pour recevoir un débit d'air comprimé en provenance du compresseur,
- ∘ une sortie d'air de la turbine délivrant un débit d'air froid détendu,
- au moins un échangeur interposé entre la sortie d'air du compresseur et l'entrée d'air de la turbine,
- on utilise au moins un turbocompresseur d'au moins un dispositif à cycle à air -notamment chaque turbocompresseur d'au moins un dispositif à cycle à air, plus particulièrement chaque turbocompresseur de chaque dispositif à cycle à air- comportant un moteur électrique couplé au compresseur -notamment interposé sur un arbre entre la turbine et le compresseur- de façon à pouvoir délivrer une puissance mécanique au compresseur,
- l'entrée d'air du compresseur est agencée pour recevoir de l'air à pression supérieure ou égale à la pression atmosphérique.
- at least one turbocharger comprising:
- ∘ a rotary compressor,
- ∘ a rotary turbine,
- ∘ a shaft coupling the turbine and the compressor so that the turbine is able to drive the compressor in rotation,
- ∘ an air inlet for the compressor,
- ∘ an air outlet from the compressor delivering a flow of compressed air by the compressor,
- ∘ an air inlet of the turbine designed to receive a flow of compressed air from the compressor,
- ∘ an air outlet from the turbine delivering a flow of expanded cold air,
- at least one exchanger interposed between the air outlet of the compressor and the air inlet of the turbine,
- at least one turbocharger of at least one air cycle device is used - in particular each turbocharger of at least one air cycle device, more particularly each turbocharger of each air cycle device - comprising an electric motor coupled to the compressor - in particular interposed on a shaft between the turbine and the compressor - so as to be able to deliver mechanical power to the compressor,
- the air inlet of the compressor is arranged to receive air at a pressure greater than or equal to atmospheric pressure.
Dans certains modes de réalisation avantageux un procédé selon l'invention est également caractérisé par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-après :
- la turbine de chaque turbocompresseur est agencée pour délivrer un débit d'air détendu à pression supérieure ou égale à la pression atmosphérique,
- chaque turbocompresseur de chaque dispositif à cycle à air est associé à un ensemble de conduites et de vannes commandées, adapté pour pouvoir être commandé selon un mode de fonctionnement choisi au moins parmi :
- ▪ un mode de chauffage dans lequel l'air comprimé et réchauffé délivré à la sortie du compresseur du turbocompresseur traverse au moins un premier circuit (« passe chaude ») d'un échangeur de chaleur adapté pour réchauffer un débit d'air d'alimentation de la cabine du véhicule,
- ▪ un mode de refroidissement dans lequel :
- ∘ l'entrée d'air du compresseur est agencée pour recevoir de l'air extérieur au véhicule,
- ∘ la sortie d'air comprimé du compresseur est reliée à au moins un échangeur de chaleur, dit échangeur intermédiaire, délivrant un flux d'air comprimé refroidi par au moins un flux d'air choisi parmi un flux d'air extérieur, un flux d'air vicié à évacuer hors de la cabine, et leurs mélanges,
- l'entrée d'air du compresseur est agencée pour, en mode de refroidissement, recevoir directement de l'air prélevé à l'extérieur du véhicule,
- en mode de refroidissement, le débit d'air froid détendu délivré par la sortie d'air de la turbine est introduit dans la cabine du véhicule, avec mélange avec de l'air de recirculation en provenance de la cabine, et éventuellement avec de l'air frais,
- en mode de chauffage, ledit débit d'air d'alimentation de la cabine du véhicule est formé par au moins un flux d'air choisi parmi un flux d'air extérieur, un flux d'air de recirculation en provenance de la cabine du véhicule, et leurs mélanges, ce flux d'air traversant le deuxième circuit de l'échangeur de chauffage cabine pour être réchauffé,
- dans une première variante en mode de chauffage par pompe à chaleur :
- ∘ l'entrée d'air du compresseur est agencée pour recevoir un débit d'air détendu en provenance de la turbine par l'intermédiaire d'au moins un échangeur de chaleur, dit échangeur intermédiaire de réchauffage, adapté pour réchauffer l'air détendu délivré par la turbine au contact d'au moins un flux d'air - notamment au contact d'un flux d'air- choisi parmi un flux d'air extérieur, un flux d'air vicié à évacuer hors de la cabine, et leurs mélanges,
- ∘ l'air comprimé et réchauffé délivré à la sortie du compresseur du turbocompresseur traverse un premier circuit (« passe chaude ») d'un échangeur de chaleur, dit échangeur de chauffage cabine, adapté pour réchauffer un débit d'air d'alimentation de la cabine du véhicule traversant un deuxième circuit (« passe froide ») de l'échangeur de chauffage cabine, une sortie du premier circuit de l'échangeur de chauffage cabine étant reliée à l'entrée d'air de la turbine,
- dans une deuxième variante en mode de chauffage :
∘ ledit ensemble de conduites et de vannes commandées est adapté pour pouvoir être commandé également selon un mode de fonctionnement choisi parmi un mode de chauffage dans lequel :- ∘ un flux d'air vicié à évacuer de la cabine est alimenté à l'entrée du compresseur du turbocompresseur,
- ∘ l'air comprimé et réchauffé délivré à la sortie du compresseur du turbocompresseur, traverse au moins un échangeur interposé entre la sortie d'air du compresseur d'au moins un turbocompresseur et l'entrée d'air de la turbine du turbocompresseur,
- ∘ et l'air délivré à la sortie de la turbine du turbocompresseur est relié à une bouche de sortie pour être rejeté à l'extérieur,
- la vitesse de rotation du moteur électrique de chaque turbocompresseur est pilotée en fonction d'une puissance thermique de consigne à délivrer à la cabine du véhicule,
- en mode de refroidissement, la vitesse de rotation du moteur électrique de chaque turbocompresseur est pilotée en fonction d'une puissance froide de consigne à la sortie de la turbine,
- en mode de chauffage, la vitesse de rotation du moteur électrique de chaque turbocompresseur est pilotée en fonction d'une puissance chaude de consigne à la sortie du compresseur,
- la vitesse de rotation du moteur électrique de chaque turbocompresseur est pilotée avec une valeur maximum supérieure à 50000 tr/min, notamment avec une valeur maximum comprise entre 50000 tr/min et 100000 tr/min, par exemple de l'ordre de 65000 tr/min,
- l'humidité de l'air comprimé délivré à l'entrée d'air de la turbine est extraite à l'amont de cette entrée d'air ; cette extraction peut être réalisée par une boucle d'extraction d'humidité comprenant successivement un premier circuit (« passe chaude ») d'un échangeur de chaleur réchauffeur recevant le débit d'air comprimé et refroidi à la sortie de l'échangeur intermédiaire de refroidissement, un premier circuit (« passe chaude ») d'un échangeur de chaleur condenseur, un dispositif d'extraction d'eau liquide, un deuxième circuit (« passe froide ») de l'échangeur de chaleur réchauffeur recevant le débit d'air délivré à l'aval du dispositif d'extraction d'eau liquide pour le réchauffer par le débit d'air comprimé alimentant le premier circuit de l'échangeur de chaleur réchauffeur, un deuxième circuit (« passe froide ») de l'échangeur de chaleur condenseur recevant le débit d'air froid détendu délivré par la sortie d'air de la turbine pour refroidir le débit d'air comprimé traversant le premier circuit de l'échangeur de chaleur condenseur de façon à condenser l'humidité présente dans ce débit d'air comprimé,
- on choisit chaque turbocompresseur de telle sorte qu'il présente un diamètre maximum (volute) inférieur à 400 mm, par exemple compris entre 300 mm et 400 mm, notamment de l'ordre de 360 mm,
- on choisit chaque turbocompresseur de telle sorte qu'il présente un poids inférieur à 50 kg, par exemple compris entre 20 kg et 50 kg, notamment de l'ordre de 30 kg.
- the turbine of each turbocharger is designed to deliver a flow of expanded air at a pressure greater than or equal to atmospheric pressure,
- each turbocharger of each air cycle device is associated with a set of conduits and controlled valves, adapted to be able to be controlled according to an operating mode chosen at least from:
- ▪ a heating mode in which the compressed and heated air delivered to the outlet of the compressor of the turbocharger passes through at least a first circuit (“hot pass”) of a heat exchanger suitable for heating a feed air flow from the vehicle cabin,
- ▪ a cooling method in which:
- ∘ the air inlet of the compressor is designed to receive air outside the vehicle,
- ∘ the compressed air outlet of the compressor is connected to at least one heat exchanger, called an intermediate exchanger, delivering a flow of compressed air cooled by at least one flow of air chosen from an outside air flow, a flow of stale air to be evacuated from the cabin, and their mixtures,
- the air inlet of the compressor is arranged to, in cooling mode, directly receive the air taken from outside the vehicle,
- in cooling mode, the flow of expanded cold air delivered by the air outlet of the turbine is introduced into the cabin of the vehicle, with mixing with the recirculating air coming from the cabin, and possibly with 'fresh air,
- in heating mode, said air flow for supplying the vehicle cabin is formed by at least one air flow chosen from an outside air flow, a recirculating air flow coming from the cabin of the vehicle. vehicle, and their mixtures, this air flow passing through the second circuit of the cabin heating exchanger to be heated,
- in a first variant in heat pump heating mode:
- ∘ the air inlet of the compressor is designed to receive a flow of expanded air from the turbine via at least one heat exchanger, called an intermediate reheating exchanger, suitable for reheating the expanded air delivered by the turbine in contact with at least one air flow - in particular in contact with an air flow - chosen from an outside air flow, a stale air flow to be evacuated out of the cabin, and their mixtures,
- ∘ the compressed and heated air delivered to the outlet of the turbocharger compressor passes through a first circuit ("hot pass") of a heat exchanger, called the cabin heating exchanger, adapted to heat a supply air flow of the cabin of the vehicle passing through a second circuit (“cold pass”) of the cabin heating exchanger, an outlet of the first circuit of the cabin heating exchanger being connected to the air inlet of the turbine,
- in a second variant in heating mode:
∘ said set of conduits and controlled valves is adapted to be able to be controlled also according to an operating mode chosen from a heating mode in which:- ∘ a flow of stale air to be evacuated from the cabin is supplied to the inlet of the turbocharger compressor,
- ∘ the compressed and heated air delivered at the outlet of the compressor of the turbocharger, passes through at least one exchanger interposed between the air outlet of the compressor of at least one turbocharger and the air inlet of the turbine of the turbocharger,
- ∘ and the air delivered to the outlet of the turbocharger turbine is connected to an outlet to be discharged to the outside,
- the speed of rotation of the electric motor of each turbocharger is controlled as a function of a set thermal power to be delivered to the cabin of the vehicle,
- in cooling mode, the speed of rotation of the electric motor of each turbocharger is controlled as a function of a set cold power at the outlet of the turbine,
- in heating mode, the speed of rotation of the electric motor of each turbocharger is controlled as a function of a setpoint hot power at the compressor outlet,
- the speed of rotation of the electric motor of each turbocharger is controlled with a maximum value greater than 50,000 rev / min, in particular with a maximum value between 50,000 rev / min and 100,000 rev / min, for example of the order of 65,000 rev / min,
- the humidity of the compressed air delivered to the air inlet of the turbine is extracted upstream of this air inlet; this extraction can be carried out by a moisture extraction loop comprising successively a first circuit ("hot pass") of a reheating heat exchanger receiving the flow of compressed and cooled air at the outlet of the intermediate heat exchanger. cooling, a first circuit ("hot pass") of a condenser heat exchanger, a device for extracting liquid water, a second circuit ("cold pass") of the reheater heat exchanger receiving the flow of air delivered downstream of the liquid water extraction device to heat it by the flow of compressed air supplying the first circuit of the reheater heat exchanger, a second circuit ("cold pass") of the exchanger condenser heat receiving the flow of expanded cold air delivered by the air outlet of the turbine to cool the flow of compressed air passing through the first circuit of the condenser heat exchanger so as to condense the moisture present in this air flow c omitted,
- each turbocharger is chosen such that it has a maximum diameter (volute) less than 400 mm, for example between 300 mm and 400 mm, in particular of the order of 360 mm,
- each turbocharger is chosen such that it has a weight of less than 50 kg, for example between 20 kg and 50 kg, in particular of the order of 30 kg.
L'invention s'étend également à un véhicule terrestre -notamment ferroviaire- comprenant au moins un dispositif à cycle à air comportant :
- au moins un turbocompresseur comprenant :
- ∘ un compresseur rotatif,
- ∘ une turbine rotative,
- ∘ un arbre couplant la turbine et le compresseur de telle sorte que la turbine est apte à entraîner le compresseur en rotation,
- ∘ une entrée d'air du compresseur,
- ∘ une sortie d'air du compresseur délivrant un débit d'air comprimé par le compresseur,
- ∘ une entrée d'air de la turbine agencée pour recevoir un débit d'air comprimé en provenance du compresseur,
- ∘ une sortie d'air de la turbine délivrant un débit d'air froid détendu,
- au moins un échangeur interposé entre la sortie d'air du compresseur d'au moins un turbocompresseur et l'entrée d'air de la turbine d'au moins un turbocompresseur,
- au moins un turbocompresseur d'au moins un dispositif à cycle à air -notamment chaque turbocompresseur d'au moins un dispositif à cycle à air, plus particulièrement chaque turbocompresseur de chaque dispositif à cycle à air-comporte un moteur électrique couplé au compresseur -notamment interposé sur un arbre entre la turbine et le compresseur- de façon à pouvoir délivrer une puissance mécanique au compresseur,
- l'entrée d'air du compresseur d'au moins un turbocompresseur d'au moins un dispositif à cycle à air -notamment de chaque turbocompresseur d'au moins un dispositif à cycle à air, plus particulièrement de chaque turbocompresseur de chaque dispositif à cycle à air- est agencée pour recevoir de l'air à pression supérieure ou égale à la pression atmosphérique.
- at least one turbocharger comprising:
- ∘ a rotary compressor,
- ∘ a rotary turbine,
- ∘ a shaft coupling the turbine and the compressor so that the turbine is able to drive the compressor in rotation,
- ∘ an air inlet for the compressor,
- ∘ an air outlet from the compressor delivering a flow of compressed air by the compressor,
- ∘ an air inlet of the turbine designed to receive a flow of compressed air from the compressor,
- ∘ an air outlet from the turbine delivering a flow of expanded cold air,
- at least one exchanger interposed between the air outlet of the compressor of at least one turbocharger and the air inlet of the turbine of at least one turbocharger,
- at least one turbocharger of at least one air cycle device - in particular each turbocharger of at least one air cycle device, more particularly each turbocharger of each air cycle device - comprises an electric motor coupled to the compressor - in particular interposed on a shaft between the turbine and the compressor - so as to be able to deliver mechanical power to the compressor,
- the air inlet of the compressor of at least one turbocharger of at least one air cycle device - in particular of each turbocharger of at least one air cycle device, more particularly of each turbocharger of each cycle device air- is arranged to receive air at a pressure greater than or equal to atmospheric pressure.
Dans certains modes de réalisation avantageux un véhicule selon l'invention est également caractérisé par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-après :
- la turbine de chaque turbocompresseur est agencée pour délivrer un débit d'air détendu à pression supérieure ou égale à la pression atmosphérique,
- chaque dispositif à cycle à air comporte un ensemble de vannes commandées et de conduites et le véhicule comporte au moins une unité de régulation adaptée pour pouvoir commander chaque dispositif à cycle à air selon un mode de fonctionnement choisi au moins parmi :
- ▪ un mode de chauffage dans lequel l'air comprimé et réchauffé délivré à la sortie du compresseur du turbocompresseur traverse au moins un premier circuit (« passe chaude ») d'un échangeur de chaleur adapté pour réchauffer un débit d'air d'alimentation de la cabine du véhicule,
- ▪ un mode de refroidissement dans lequel :
- ∘ l'entrée d'air du compresseur est agencée pour recevoir de l'air extérieur au véhicule,
- ∘ la sortie d'air comprimé du compresseur est reliée à au moins un échangeur de chaleur, dit échangeur intermédiaire de refroidissement, délivrant un flux d'air comprimé refroidi par au moins un flux d'air choisi parmi un flux d'air extérieur, un flux d'air vicié à évacuer hors de la cabine, et leurs mélanges,
- l'entrée d'air du compresseur est agencée pour, en mode de refroidissement, recevoir directement de l'air prélevé à l'extérieur du véhicule,
- dans une première variante en mode de chauffage par pompe à chaleur :
- ∘ l'entrée d'air du compresseur est agencée pour recevoir un débit d'air détendu en provenance de la turbine par l'intermédiaire d'au moins un échangeur de chaleur, dit échangeur intermédiaire de réchauffage, adapté pour réchauffer l'air détendu délivré par la turbine au contact d'un flux d'air choisi parmi un flux d'air extérieur, un flux d'air vicié à évacuer hors de la cabine, et leurs mélanges,
- ∘ l'air comprimé et réchauffé délivré à la sortie du compresseur du turbocompresseur traverse un premier circuit (« passe chaude ») d'un échangeur de chaleur, dit échangeur de chauffage cabine, adapté pour réchauffer un débit d'air d'alimentation de la cabine du véhicule traversant un deuxième circuit (« passe froide ») de l'échangeur de chauffage cabine, une sortie du premier circuit de l'échangeur de chauffage cabine étant reliée à l'entrée d'air de la turbine,
- ledit échangeur intermédiaire de refroidissement et ledit au moins un échangeur intermédiaire de réchauffage sont formés d'un seul et même échangeur de chaleur,
- dans une deuxième variante en mode de chauffage :
∘ ledit ensemble de conduites et de vannes commandées est adapté pour pouvoir être commandé également selon un mode de fonctionnement choisi parmi un mode de chauffage dans lequel :- ∘ un flux d'air vicié à évacuer de la cabine est alimenté à l'entrée du compresseur du turbocompresseur,
- ∘ l'air comprimé et réchauffé délivré à la sortie du compresseur du turbocompresseur, traverse au moins un échangeur interposé entre la sortie d'air du compresseur d'au moins un turbocompresseur et l'entrée d'air de la turbine du turbocompresseur,
- ∘ et l'air délivré à la sortie de la turbine du turbocompresseur est relié à une bouche de sortie pour être rejeté à l'extérieur,
- il comporte une unité de régulation adaptée pour piloter la vitesse de rotation du moteur électrique de chaque turbocompresseur en fonction d'une puissance thermique de consigne à délivrer à la cabine du véhicule,
- au moins un -notamment chaque- turbocompresseur présente un diamètre maximum (volute) inférieur à 400 mm, par exemple compris entre 300 mm et 400 mm, notamment de l'ordre de 360 mm,
- au moins un -notamment chaque- turbocompresseur présente un poids inférieur à 50 kg, par exemple compris entre 20 kg et 50 kg, notamment de l'ordre de 30 kg,
- au moins un -notamment chaque- turbocompresseur est adapté pour pouvoir être piloté avec une vitesse de rotation maximum supérieure à 50000 tr/min, notamment comprise entre 50000 tr/min et 100000 tr/min, par exemple de l'ordre de 65000 tr/min,
- au moins un -notamment chaque- dispositif à cycle à air comporte un dispositif d'extraction, à l'amont de l'entrée d'air de la turbine, de l'humidité de l'air comprimé délivré, en mode de refroidissement, à la sortie d'air comprimé du compresseur ; dans certains modes de réalisation, ce dispositif extraction comprend une boucle d'extraction d'humidité comprenant successivement un premier circuit (« passe chaude ») d'un échangeur de chaleur réchauffeur relié à l'échangeur intermédiaire de refroidissement pour pouvoir recevoir le débit d'air comprimé (et refroidi) délivré par cet échangeur intermédiaire de refroidissement, un premier circuit (« passe chaude ») d'un échangeur de chaleur condenseur, un dispositif d'extraction d'eau liquide, un deuxième circuit (« passe froide ») de l'échangeur de chaleur réchauffeur reliée au dispositif d'extraction d'eau liquide pour pouvoir recevoir le débit d'air délivré à l'aval du dispositif d'extraction d'eau liquide pour le réchauffer par le débit d'air comprimé alimentant le premier circuit de l'échangeur de chaleur réchauffeur, un deuxième circuit (« passe froide ») de l'échangeur de chaleur condenseur reliée à la sortie de la turbine pour pouvoir recevoir le débit d'air froid détendu délivré par la sortie d'air de la turbine, et refroidir le débit d'air comprimé traversant le premier circuit de l'échangeur de chaleur condenseur de façon à condenser l'humidité présente dans ce débit d'air comprimé.
- the turbine of each turbocharger is designed to deliver a flow of expanded air at a pressure greater than or equal to atmospheric pressure,
- each air cycle device comprises a set of controlled valves and pipes and the vehicle comprises at least one regulation unit adapted to be able to control each air cycle device according to an operating mode chosen at least from:
- ▪ a heating mode in which the compressed and heated air delivered to the outlet of the compressor of the turbocharger passes through at least a first circuit (“hot pass”) of a heat exchanger suitable for heating a feed air flow from the vehicle cabin,
- ▪ a cooling method in which:
- ∘ the air inlet of the compressor is designed to receive air outside the vehicle,
- ∘ the compressed air outlet of the compressor is connected to at least one heat exchanger, called an intermediate cooling exchanger, delivering a flow of compressed air cooled by at least one flow of air chosen from an outside air flow, a stale air flow to be evacuated from the cabin, and their mixtures,
- the air inlet of the compressor is arranged to, in cooling mode, directly receive the air taken from outside the vehicle,
- in a first variant in heat pump heating mode:
- ∘ the air inlet of the compressor is designed to receive a flow of expanded air from the turbine via at least one heat exchanger, called an intermediate reheating exchanger, suitable for reheating the expanded air delivered by the turbine in contact with an air flow chosen from an outside air flow, a stale air flow to be evacuated out of the cabin, and their mixtures,
- ∘ the compressed and heated air delivered to the outlet of the turbocharger compressor passes through a first circuit ("hot pass") of a heat exchanger, called the cabin heating exchanger, adapted to heat a supply air flow of the cabin of the vehicle passing through a second circuit (“cold pass”) of the cabin heating exchanger, an outlet of the first circuit of the cabin heating exchanger being connected to the air inlet of the turbine,
- said intermediate cooling exchanger and said at least one intermediate reheating exchanger are formed from one and the same heat exchanger,
- in a second variant in heating mode:
∘ said set of conduits and controlled valves is adapted to be able to be controlled also according to an operating mode chosen from a heating mode in which:- ∘ a flow of stale air to be evacuated from the cabin is supplied to the inlet of the turbocharger compressor,
- ∘ the compressed and heated air delivered at the outlet of the compressor of the turbocharger, passes through at least one exchanger interposed between the air outlet of the compressor of at least one turbocharger and the air inlet of the turbine of the turbocharger,
- ∘ and the air delivered to the outlet of the turbocharger turbine is connected to an outlet to be discharged to the outside,
- it comprises a regulation unit adapted to control the speed of rotation of the electric motor of each turbocharger as a function of a set thermal power to be delivered to the cabin of the vehicle,
- at least one - in particular each - turbocharger has a maximum diameter (volute) of less than 400 mm, for example between 300 mm and 400 mm, in particular of the order of 360 mm,
- at least one - in particular each - turbocharger has a weight of less than 50 kg, for example between 20 kg and 50 kg, in particular of the order of 30 kg,
- at least one - in particular each - turbocharger is suitable for being able to be controlled with a maximum rotation speed greater than 50,000 rpm, in particular between 50,000 rpm and 100,000 rpm, for example of the order of 65,000 rpm min,
- at least one - in particular each - air cycle device comprises a device for extracting, upstream of the air inlet of the turbine, the humidity of the compressed air delivered, in cooling mode, at the compressed air outlet of the compressor; in certain embodiments, this extraction device comprises a moisture extraction loop successively comprising a first circuit ("hot pass") of a reheating heat exchanger connected to the intermediate cooling exchanger in order to be able to receive the flow rate of 'compressed (and cooled) air delivered by this intermediate cooling exchanger, a first circuit ("hot pass") of a condenser heat exchanger, a liquid water extraction device, a second circuit ("cold pass" ) of the heat exchanger heater connected to the liquid water extraction device to be able to receive the air flow delivered downstream of the liquid water extraction device to heat it by the compressed air flow supplying the first circuit of the reheater heat exchanger, a second circuit ("cold pass") of the condenser heat exchanger connected to the outlet of the turbine to be able to receive the flow of expanded cold air delivered é by the air outlet of the turbine, and cool the flow of compressed air passing through the first circuit of the condenser heat exchanger so as to condense the humidity present in this flow of compressed air.
Ainsi, dans un procédé et un véhicule selon l'invention, le conditionnement d'air est obtenu par au moins un turbocompresseur motorisé dont le compresseur reçoit de l'air à pression supérieure ou égale à la pression atmosphérique. Il en résulte en particulier non seulement une simplification de l'architecture et des composants sans utilisation de fluide calorifique diphasique, mais également la possibilité de réduire considérablement le débit d'air dans la boucle et les dimensions des tuyauteries et des vannes.Thus, in a method and a vehicle according to the invention, the air conditioning is obtained by at least one motorized turbocharger, the compressor of which receives air at a pressure greater than or equal to atmospheric pressure. This results in particular not only in a simplification of the architecture and components without the use of two-phase heat transfer fluid, but also in the possibility of considerably reducing the air flow in the loop and the dimensions of the pipes and valves.
En mode de refroidissement, le débit d'air à travers la boucle peut être limité au débit d'air frais à fournir à la cabine. Il est ainsi typiquement divisé par 2 par rapport au débit d'air à travers la boucle inverse du deuxième type de solution de l'état de la technique mentionné ci-dessus. En outre, les pressions dans la boucle passent typiquement d'une valeur de l'ordre de 0,5 105 Pa à une valeur de l'ordre de 3 105 Pa, c'est-à-dire sont multipliées par 6. Il en résulte que le diamètre des conduites de circulation d'air dans la boucle peut être divisé par un facteur typiquement égal à
Il en résulte également la possibilité d'utiliser la boucle du cycle à air et au moins un turbocompresseur de chaque dispositif à cycle à air en pompe à chaleur pour le chauffage de la cabine, en particulier en inversant le sens de circulation de l'air dans la boucle. Il s'avère en effet que, avec un cycle à air à boucle directe conforme à l'invention, les pressions et les points de fonctionnement du compresseur et de la turbine du turbocompresseur sont sensiblement les mêmes en mode de refroidissement et en mode de chauffage. Il est ainsi possible de générer une puissance thermique chaude avec un rendement supérieur à 1. Les inventeurs ont ainsi déterminé qu'il est possible d'obtenir un coefficient de performance typiquement de l'ordre de 1,25, c'est-à-dire un gain de 25 % à 30 % par rapport à un réchauffeur électrique. Également, la grande majorité des composants utilisés en mode de refroidissement sont réutilisés en mode de chauffage. En outre il est possible de récupérer dans l'échangeur intermédiaire en mode de chauffage les calories de l'air vicié évacué de la cabine, ou en mode de refroidissement les frigories de l'air vicié évacué de la cabine.This also results in the possibility of using the air cycle loop and at least one turbocharger of each air cycle device as a heat pump for heating the cabin, in particular by reversing the direction of air circulation. in the loop. It turns out that, with a direct loop air cycle in accordance with the invention, the pressures and the operating points of the compressor and of the turbine of the turbocharger are substantially the same in cooling mode and in heating mode. . It is thus possible to generate a hot thermal power with an efficiency greater than 1. The inventors have thus determined that it is possible to obtain a coefficient of performance typically of the order of 1.25, that is to say. say a gain of 25% to 30% compared to an electric heater. Also, the vast majority of components used in cooling mode are reused in heating mode. In addition, it is possible to recover in the intermediate exchanger in heating mode the calories of the stale air discharged from the cabin, or in cooling mode the frigories of the stale air discharged from the cabin.
Par ailleurs, le refroidissement des échangeurs peut être effectué à l'aide de simples ventilateurs électriques.In addition, the cooling of the exchangers can be carried out using simple electric fans.
Dans certains modes de réalisation d'un procédé et d'un véhicule selon l'invention, chaque dispositif à cycle à air comprend un et un seul turbocompresseur, et peut être configuré et réglé à la fabrication en usine, l'installation à bord du véhicule étant limitée à la connexion des entrées d'air et des sorties d'air du dispositif à cycle à air aux conduites correspondantes du véhicule. Le nombre de dispositif(s) à cycle à air et/ou le nombre de turbocompresseur(s) peut être ajusté en fonction de la puissance thermique requise pour chaque véhicule. En particulier, un véhicule selon l'invention comprend par exemple avantageusement une pluralité de dispositifs à cycle à air - notamment entre 2 et 10 dispositifs à cycle à air comprenant chacun un et un seul turbocompresseur-. Ainsi, les inventeurs ont démontré qu'il est en réalité préférable de prévoir plusieurs dispositifs à cycle à air de plus faibles dimensions incorporant chacun un turbocompresseur motorisé piloté à haute vitesse de rotation qui, bien que plus coûteux et complexe à fabriquer, permet d'obtenir une économie de consommation énergétique et une facilité d'installation à bord d'un véhicule terrestre tel qu'un véhicule ferroviaire, compensant largement le surcoût de fabrication des turbocompresseurs.In certain embodiments of a method and of a vehicle according to the invention, each air cycle device comprises one and only one turbocharger, and can be configured and adjusted during manufacture in the factory, installation on board the. vehicle being limited to the connection of the air inlets and air outlets of the air cycle device to the corresponding pipes of the vehicle. The number of air cycle device (s) and / or the number of turbocharger (s) can be adjusted according to the thermal power required for each vehicle. In particular, a vehicle according to the invention for example advantageously comprises a plurality of air cycle devices - in particular between 2 and 10 air cycle devices each comprising one and only one turbocharger. Thus, the inventors have demonstrated that it is in reality preferable to provide several air cycle devices of smaller dimensions each incorporating a motorized turbocharger driven at high rotational speed which, although more expensive and complex to manufacture, makes it possible to obtaining savings in energy consumption and ease of installation on board a land vehicle such as a rail vehicle, largely offsetting the additional manufacturing cost of the turbochargers.
L'invention s'étend également à un procédé d'alimentation en air à température contrôlée mis en œuvre dans un véhicule terrestre selon l'invention. Elle s'étend également à un véhicule terrestre dans lequel un procédé d'alimentation en air à température contrôlée selon l'invention est mis en œuvre.The invention also extends to a method for supplying air at controlled temperature implemented in a land vehicle according to the invention. It also extends to a land vehicle in which a temperature-controlled air supply method according to the invention is implemented.
L'invention concerne également un procédé d'alimentation en air à température contrôlée et un véhicule terrestre caractérisés, en combinaison ou non, par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après. Quelle que soit la présentation formelle qui en est donnée, sauf indication contraire explicite, les différentes caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après ne doivent pas être considérées comme étroitement ou inextricablement liées entre elles, l'invention pouvant concerner l'une seulement de ces caractéristiques structurelles ou fonctionnelles, ou une partie seulement de l'une de ces caractéristiques structurelles ou fonctionnelles, ou encore tout groupement, combinaison ou juxtaposition de tout ou partie de ces caractéristiques structurelles ou fonctionnelles.The invention also relates to a temperature-controlled air supply method and a land vehicle characterized, in combination or not, by all or some of the characteristics mentioned above or below. Whatever the formal presentation which is given, unless explicitly indicated otherwise, the various characteristics mentioned above or below should not be considered as closely or inextricably linked to each other, the invention being able to relate to only one of these structural or functional characteristics, or only part of one of these structural or functional characteristics, or any grouping, combination or juxtaposition of all or part of these structural or functional characteristics.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles :
- la
figure 1 est un schéma synoptique fonctionnel illustrant un dispositif à cycle à air d'un véhicule selon un premier mode de réalisation de l'invention mettant en œuvre un procédé selon un premier mode de réalisation de l'invention en mode de refroidissement, - la
figure 2 est un schéma synoptique fonctionnel du dispositif à cycle à air de lafigure 1 en mode de chauffage, - la
figure 3 est un schéma synoptique fonctionnel illustrant un dispositif à cycle à air d'un véhicule selon un deuxième mode de réalisation de l'invention mettant en œuvre un procédé selon un deuxième mode de réalisation de l'invention en mode de refroidissement, - la
figure 4 est un schéma synoptique fonctionnel du dispositif à cycle à air de lafigure 3 en mode de chauffage.
- the
figure 1 is a functional block diagram illustrating an air cycle device of a vehicle according to a first embodiment of the invention implementing a method according to a first embodiment of the invention in cooling mode, - the
figure 2 is a functional block diagram of the air cycle device of thefigure 1 in heating mode, - the
figure 3 is a functional block diagram illustrating an air cycle device of a vehicle according to a second embodiment of the invention implementing a method according to a second embodiment of the invention in cooling mode, - the
figure 4 is a functional block diagram of the air cycle device of thefigure 3 in heating mode.
Le dispositif à cycle à air selon l'invention représenté sur les figures permet le contrôle environnemental (climatisation par refroidissement ou chauffage) d'une cabine 10 d'un véhicule terrestre selon l'invention. Elle comprend un turbocompresseur 11 motorisé par un moteur électrique 12 entraînant un arbre 13 du turbocompresseur 11 accouplé à une turbine 14 rotative et à un compresseur 15 rotatif. Un tel turbocompresseur 11 motorisé est connu en lui-même et peut faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation, notamment en ce qui concerne le type de turbine (axiale ou radiale), le type de compresseur (axial ou radial), le type de moteur électrique, le montage de l'arbre et des paliers (par exemple paliers aérodynamiques ou paliers magnétiques), la disposition relative des roues et/ou du moteur...The air cycle device according to the invention shown in the figures allows environmental control (air conditioning by cooling or heating) of a
Dans le cas d'un véhicule terrestre tel qu'un véhicule ferroviaire, par exemple pour trains à grande vitesse, le turbocompresseur 11 peut avantageusement être choisi avec les caractéristiques suivantes, données uniquement à titre d'exemple non limitatif :
turbine 14et compresseur 15 de type radial,- paliers aérodynamiques ou magnétiques,
- vitesse de rotation maximale comprise entre 50000 tr/min et 100000 tr/min, par exemple de l'ordre de 65000 tr/min,
- taux de compression maximal du compresseur : compris entre 2,5 et 5, notamment de l'ordre de 3,2,
- taux de détente maximal de la turbine : compris entre 2 et 5,
- moteur électrique : de puissance nominale comprise entre 10 kW et 100 kW, notamment de l'ordre de 40 kW,
- diamètre maximum de volute (volute du compresseur 15) inférieur à 500 mm, par exemple compris entre 300 mm et 500 mm, notamment de l'ordre de 360 mm,
- diamètre maximum de roue du compresseur 15 inférieur à 250 mm, par exemple compris entre 100 et 250 mm, notamment de l'ordre de 150 mm,
- poids inférieur à 50 kg, par exemple compris entre 15 kg et 50 kg, notamment de l'ordre de 30 kg,
- diamètre des paliers, notamment dans le cas de paliers à air, compris entre 30 mm et 50 mm, notamment de l'ordre de 40 mm.
-
turbine 14 andcompressor 15 of the radial type, - aerodynamic or magnetic bearings,
- maximum speed of rotation between 50,000 rpm and 100,000 rpm, for example of the order of 65,000 rpm,
- maximum compression ratio of the compressor: between 2.5 and 5, in particular around 3.2,
- maximum turbine expansion rate: between 2 and 5,
- electric motor: with a nominal power of between 10 kW and 100 kW, in particular of the order of 40 kW,
- maximum volute diameter (compressor volute 15) less than 500 mm, for example between 300 mm and 500 mm, in particular of the order of 360 mm,
- maximum wheel diameter of the
compressor 15 less than 250 mm, for example between 100 and 250 mm, in particular of the order of 150 mm, - weight less than 50 kg, for example between 15 kg and 50 kg, in particular of the order of 30 kg,
- diameter of the bearings, in particular in the case of air bearings, between 30 mm and 50 mm, in particular of the order of 40 mm.
La turbine 14 présente une entrée 16 d'air et une sortie 17 d'air détendu et refroidi. Le compresseur 15 comprend une entrée 18 d'air et une sortie 19 d'air comprimé et réchauffé.The
Un premier circuit d'un échangeur 20 intermédiaire air/air est interposé entre le compresseur 15 et la turbine 14.A first circuit of an air / air
Cet échangeur 20 intermédiaire présente un deuxième circuit d'air alimenté par un flux d'air entraîné par au moins un ventilateur 21 électrique. Ce flux d'air peut être formé d'un flux d'air extérieur ambiant prélevé à l'extérieur du véhicule à température ambiante, d'un flux d'air vicié évacué de la cabine 10 (notamment pour le renouvellement de l'air dans la cabine 10) par une conduite 34, et de leurs mélanges. Le flux d'air passant dans le deuxième circuit d'air de l'échangeur 20 intermédiaire est donc à une température comprise entre la température extérieure au véhicule et la température régnant dans la cabine 10. Après passage dans le deuxième circuit d'air de l'échangeur 20 intermédiaire ce flux d'air est rejeté à l'extérieur.This
Une boucle 22 d'extraction d'humidité est interposée entre le premier circuit de l'échangeur 20 intermédiaire et la turbine 14. Cette boucle 22 d'extraction d'humidité comprend successivement à partir de l'échangeur 20 intermédiaire un premier circuit d'un échangeur 23 de chaleur air/air réchauffeur, un premier circuit d'un échangeur 24 de chaleur air/air condenseur, un dispositif 25 d'extraction d'eau liquide, un deuxième circuit du réchauffeur 23 dont la sortie est reliée à l'entrée de la turbine 14. La sortie de la turbine 14 est reliée à un deuxième circuit du condenseur 24, ce dernier alimentant une chambre de mélange 26 alimentant la cabine 10. La chambre de mélange 26 peut recevoir également d'une part un flux d'air de recirculation extrait de la cabine 10 par des ventilateurs électriques 27, 28 et d'autre part un flux d'air frais prélevé à l'extérieur du véhicule, grâce à ces ventilateurs électriques 27, 28 si la puissance thermique froide requise dans la cabine 10 est telle que le débit d'air délivré par la turbine 14 n'est pas suffisant pour couvrir le besoin en renouvellement d'air dans la cabine 10.A
La sortie d'air 19 du compresseur 15 peut être reliée à l'entrée d'air 16 de la turbine 14 par l'intermédiaire d'un premier circuit d'un échangeur de chaleur air/air, dit échangeur 32 de chauffage cabine, dont le deuxième circuit est interposé entre la chambre de mélange 26 et la cabine 10.The
Chaque échangeur 20, 23, 24, 32 de chaleur permet un transfert de chaleur entre son premier circuit (première « passe ») et son deuxième circuit (deuxième « passe »), selon la différence de température des flux d'air traversant respectivement ces deux circuits.Each
Une unité 30 de régulation comprenant notamment un automatisme électronique et/ou informatique et un convertisseur de puissance permet le pilotage du moteur 12 électrique à une vitesse de rotation déterminée par un asservissement en fonction de la puissance thermique froide ou chaude devant être délivrée dans la cabine 10, elle-même déterminée en fonction de la température mesurée dans la cabine 10 par un capteur 31 de température, et d'une température de consigne déterminée par un utilisateur du véhicule. Ce pilotage est réalisé par l'unité 30 de régulation selon un asservissement en boucle fermée avec une loi de commande de la vitesse de rotation du moteur en fonction de la température de l'air délivré à l'entrée de la chambre 26 de mélange, elle-même déterminée en fonction de la température de consigne, de la température mesurée dans la cabine 10, et des températures et débits d'air entrant dans la chambre 26 de mélange et sortant de cette dernière. Le débit d'air entrant dans la cabine 10 est mesuré par un capteur 56 de débit. Le débit d'air sortant de la cabine 10 est mesuré par un capteur 57 de débit. Ces débits sont aussi pilotés par l'unité 30 de régulation, en particulier en fonction d'une quantité d'air frais de renouvellement à apporter dans la cabine 10, qui peut être déterminée elle-même grâce à un capteur 37 de dioxyde de carbone dans la cabine 10, permettant d'estimer le taux d'occupation de cette dernière.A
Le dispositif à cycle à air comprend également un ensemble de conduites et de vannes commandées, et l'unité 30 de régulation est également reliée à chacune des vannes commandées pour en commander l'état de façon à sélectionner un mode de fonctionnement du dispositif à cycle à air parmi un mode de refroidissement et un mode de chauffage, ce mode de fonctionnement pouvant être sélectionné manuellement par l'utilisateur ou déterminé automatiquement par l'unité 30 de régulation elle-même en fonction notamment de la différence entre la température mesurée à l'intérieur de la cabine 10 et la température extérieure mesurée par un capteur de température 33 relié à l'unité 30 de régulation.The air cycle device also includes a set of conduits and controlled valves, and the control unit is also connected to each of the controlled valves to control the state thereof so as to select an operating mode of the cycle device. air from a cooling mode and a heating mode, this operating mode being able to be selected manually by the user or determined automatically by the control unit itself as a function in particular of the difference between the temperature measured at the inside the
Dans le premier mode de réalisation représenté sur les
La sortie d'air 19 du compresseur 15 est reliée à une entrée 46 d'une vanne 45 trois voies commandée dont une sortie 47 est reliée à la conduite 42 aboutissant au premier circuit de l'échangeur 20 intermédiaire (conduite 42 reliant l'entrée d'air 18 du compresseur 15 au premier circuit de l'échangeur 20 intermédiaire), et dont une sortie 48 est reliée au premier circuit de l'échangeur 32 de chauffage cabine.The
Une vanne 49 commandée est interposée entre la sortie d'air 17 de la turbine 14 et la chambre 26 de mélange, par exemple entre la sortie du deuxième circuit de l'échangeur 24 de chaleur condenseur et l'entrée de la chambre 26 de mélange.A controlled
Une vanne 50 trois voies commandée est interposée entre le premier circuit de l'échangeur 20 intermédiaire et une conduite 51 reliant la sortie d'air 17 de la turbine 14 au premier circuit de l'échangeur 24 de chaleur condenseur. Cette vanne 50 comprend une entrée 52 reliée à la conduite 51 ; une sortie 53 reliée à l'entrée de la boucle 22 d'extraction d'humidité, c'est-à-dire au premier circuit de l'échangeur 23 de chaleur réchauffeur ; et une entrée/sortie 54 reliée au premier circuit de l'échangeur 20 intermédiaire.A controlled three-
Une vanne 55 commandée permet d'alimenter la chambre 26 de mélange en air frais extérieur 58.A controlled
La logique de commande d'une telle unité 30 de régulation d'un dispositif à cycle à air est par ailleurs bien connue en elle-même et peut faire l'objet de toutes variantes de réalisation.The control logic of such a
Sur les figures, les conduites dans lesquelles l'air circule sont représentées en traits plus épais que celles dans lesquelles l'air ne circule pas, selon le mode de fonctionnement sélectionné.In the figures, the pipes in which the air circulates are shown in thicker lines than those in which the air does not circulate, depending on the operating mode selected.
En mode de refroidissement l'unité 30 de régulation place les différentes vannes 40, 45, 49, 50, 55 commandées dans l'état représenté
La vanne 40 relie son entrée 43 à sa sortie 44 et son entrée 41 est fermée. L'entrée d'air 18 du compresseur 15 reçoit de l'air frais extérieur 58 prélevé directement à la pression atmosphérique ou à la pression dynamique résultant du déplacement du véhicule à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Il est à noter à ce titre que le dispositif à cycle à air est exempt de tout autre compresseur électrique, la compression de l'air dans la boucle étant obtenue exclusivement et intégralement par le compresseur 15 du turbocompresseur 11.The
La vanne 45 relie son entrée 46 à sa sortie 47 reliée au premier circuit de l'échangeur 20 intermédiaire, et son autre sortie 48 est fermée. La sortie d'air 19 du compresseur 15 alimente le premier circuit de l'échangeur 20 intermédiaire qui constitue la passe chaude de cet échangeur 20 intermédiaire, le débit d'air comprimé réchauffé par le compresseur 15 étant refroidi dans cet échangeur 20 intermédiaire par le débit d'air circulant dans le deuxième circuit de l'échangeur 20 intermédiaire, qui constitue la passe froide de ce dernier. Le deuxième circuit d'air de l'échangeur 20 intermédiaire est alimenté par un flux d'air entraîné par au moins un ventilateur 21 électrique. Ce flux d'air peut être choisi parmi un flux d'air extérieur 58 prélevé à l'extérieur du véhicule à température ambiante, d'un flux d'air vicié évacué de la cabine 10 (notamment pour le renouvellement de l'air dans la cabine 10) par la conduite 34, et de leurs mélanges. Le flux d'air passant dans le deuxième circuit d'air de l'échangeur 20 intermédiaire est donc à une température comprise entre la température extérieure au véhicule et la température régnant dans la cabine 10. Après passage dans le deuxième circuit d'air de l'échangeur 20 intermédiaire ce flux d'air est rejeté à l'extérieur par une bouche 59 de sortie.The
Le débit d'air comprimé et refroidi à la sortie du premier circuit de l'échangeur 20 intermédiaire est alimenté dans le premier circuit du réchauffeur 23 puis dans le dispositif 25 d'extraction d'humidité puis dans le deuxième circuit du réchauffeur 23 puis à l'entrée d'air 16 de la turbine 14 dans laquelle il est refroidi et détendu. L'échangeur 20 intermédiaire est donc, dans ce mode de refroidissement, un échangeur 20 intermédiaire de refroidissement de l'air comprimé délivré par le compresseur 15. La vanne 50 relie le premier circuit de l'échangeur 20 intermédiaire au premier circuit du réchauffeur 23, et l'entrée 52 de la vanne 50 reliée à la conduite 51 de sortie de la turbine 14 est fermée.The flow of compressed and cooled air at the outlet of the first circuit of the
La détente dans la turbine 14 permet également de créer un travail mécanique qui s'ajoute à celui du moteur électrique pour entraîner le compresseur en rotation, et pour amorcer le cycle au démarrage. La turbine 14 permet ainsi d'augmenter le travail mécanique délivré au compresseur 15, la vitesse de rotation du moteur 12 étant ajustée par l'unité 30 de régulation pour obtenir une valeur de température à la sortie de la turbine 14 appropriée au refroidissement de l'air de la cabine 10, typiquement de l'ordre de -10° C.The expansion in the
La vanne 49 est ouverte de sorte que l'air sortant de la turbine 14 alimente la chambre 26 de mélange via le deuxième circuit du condenseur 24. La vanne 55 est supposée fermée pour le point nominal de fonctionnement. Elle peut être plus ou moins ouverte en fonction d'une quantité de débit d'air frais extérieur 58 nécessaire pour alimenter la cabine en dioxygène. Le débit d'air refroidi et détendu par la turbine 14 passant dans le deuxième circuit du condenseur 24 permet d'abaisser la température du débit d'air passant dans le premier circuit de ce condenseur 24 jusqu'à une valeur permettant la condensation de l'eau. L'eau extraite par le dispositif 25 d'extraction d'humidité est avantageusement introduite par une conduite 38 dans le deuxième circuit de l'échangeur 20 intermédiaire pour y être évaporée et contribuer à abaisser la température de refroidissement. Le réchauffeur 23 permet ensuite de récupérer l'énergie calorifique du flux d'air à la sortie de l'échangeur 20 intermédiaire en réchauffant le débit d'air sortant du premier circuit du condenseur 24 avant son introduction dans la turbine 14.The
La chambre de mélange 26 est également alimentée en air de recirculation en provenance de la cabine via la conduite 29 par les ventilateurs 27, 28 qui alimentent également la cabine 10 en air provenant de la chambre de mélange 26 via le deuxième circuit de l'échangeur 32 de chauffage cabine qui est inactif, le premier circuit de cet échangeur 32 de chauffage cabine n'étant pas alimenté.The mixing
Ainsi, en mode de refroidissement, le dispositif à cycle à air réalise un cycle à air en boucle ouverte directe à partir du turbocompresseur 11 motorisé. La pression dans la boucle correspond à celle délivrée par le compresseur 15, supérieure à la pression atmosphérique, typiquement de l'ordre de 3 105 Pa.Thus, in cooling mode, the air cycle device performs a direct open loop air cycle from the
En mode de chauffage l'unité 30 de régulation place les différentes vannes 40, 45, 49, 50, 55 commandées dans l'état représenté
La vanne 40 relie son entrée 41 à sa sortie 44 et son entrée 43 est fermée. La vanne 50 relie son entrée 52 reliée à la sortie d'air 17 de la turbine 14 à l'entrée/sortie 54 reliée au premier circuit de l'échangeur 20 intermédiaire, et la sortie 53 de la vanne 50 reliée au réchauffeur 23 est fermée. La vanne 49 est fermée. L'entrée d'air 18 du compresseur 15 reçoit ainsi un débit d'air détendu en provenance de la turbine 14 par l'intermédiaire du premier circuit de l'échangeur 20 intermédiaire, adapté pour réchauffer l'air détendu et refroidi délivré par la turbine 14 au contact d'un flux d'air traversant le deuxième circuit de l'échangeur 20 intermédiaire, ce dernier étant à une température comprise entre la température extérieure au véhicule et la température régnant dans la cabine 10.The
Une conduite 35 est reliée en parallèle à l'entrée d'air 18 du compresseur 15, c'est-à-dire dans l'exemple représenté à la conduite 42, de préférence par l'intermédiaire d'un clapet 36 pour permettre l'introduction d'air frais extérieur 58 dans la boucle par aspiration par le compresseur 15 en fonction des fuites se produisant dans la boucle et dans le turbocompresseur 11. La pression de l'air à l'entrée d'air 18 du compresseur 15 est égale à la pression atmosphérique.A
La vanne 45 relie son entrée 46 à sa sortie 48 reliée au premier circuit de l'échangeur 32 de chauffage cabine, et son autre sortie 47 est fermée. La sortie d'air 19 du compresseur 15 est reliée à l'entrée d'air 16 de la turbine 14 par l'intermédiaire du premier circuit de l'échangeur 32 de chauffage cabine, dont le deuxième circuit est interposé entre la chambre de mélange 26 et la cabine 10, de sorte qu'un flux d'air délivré par la chambre de mélange 26 est réchauffé dans cet échangeur 32 de chauffage cabine par les calories de l'air chaud comprimé traversant le premier circuit de l'échangeur 32 de chauffage cabine. Ce flux d'air délivré par la chambre de mélange 26 est formé par le mélange de l'air de recirculation en provenance de la cabine 10 reliée à la chambre de mélange par une conduite 29 et de l'air frais extérieur 58 alimenté dans la chambre de mélange 26 par la vanne 55 qui est ouverte. Les ventilateurs 27, 28 assurent le mélange et le débit de l'air à la sortie de la chambre 26 de mélange.The
Après passage dans la turbine 14, l'air est détendu et refroidi à une température très inférieure à la température de la cabine et à la température extérieure, typiquement de l'ordre de -40° C. La détente dans la turbine s'accompagne de la création d'un travail mécanique qui s'ajoute à celui du moteur électrique 12 pour entraîner le compresseur 15 en rotation.After passing through the
Le premier circuit de l'échangeur 20 intermédiaire air/air est interposé entre la turbine 14 et le compresseur 15. Il reçoit le débit d'air détendu et refroidi en provenance de la turbine 14 pour le réchauffer avant de le délivrer à l'entrée d'air 18 du compresseur 15. Le deuxième circuit d'air de l'échangeur 20 intermédiaire est alimenté par un flux d'air entraîné par au moins un ventilateur 21 électrique. Ce flux d'air peut être choisi parmi un flux d'air extérieur 58 prélevé à l'extérieur du véhicule à température ambiante, d'un flux d'air vicié évacué de la cabine 10 (notamment pour le renouvellement de l'air dans la cabine 10) par la conduite 34, et de leurs mélanges. Le flux d'air passant dans le deuxième circuit d'air de l'échangeur 20 intermédiaire est donc à une température comprise entre la température extérieure au véhicule et la température régnant dans la cabine 10. Après passage dans le deuxième circuit d'air de l'échangeur 20 intermédiaire ce flux d'air est rejeté à l'extérieur par la bouche 59 de sortie. En mode de chauffage, l'échangeur 20 intermédiaire est donc un échangeur 20 intermédiaire de réchauffage.The first circuit of the air / air
Les tableaux 1 et 2 ci-après donnent, à titre d'exemple non limitatif, différentes valeurs typiques de débit, de pression et de température aux entrées et sorties d'air de la turbine 14 du compresseur 15 du turbocompresseur 11 pouvant être obtenues dans le premier mode de réalisation de l'invention.
D'autres valeurs typiques de température sont indiquées sur les
En outre, les pressions de fonctionnement dans les différentes parties du dispositif à cycle à air sont toutes supérieures à la pression atmosphérique, ce qui permet de diminuer les sections et les dimensions des conduites et des composants (vannes, volutes et roues du turbocompresseur...), et donc l'encombrement général et le coût de chaque dispositif à cycle à air.In addition, the operating pressures in the different parts of the air cycle device are all greater than atmospheric pressure, which makes it possible to reduce the sections and dimensions of the pipes and the components (valves, volutes and impellers of the turbocharger. .), and therefore the overall size and cost of each air cycle device.
Le deuxième mode de réalisation représenté sur les
La vanne trois voies 40 à l'entrée 18 du compresseur 15 du premier mode de réalisation est remplacée par une vanne quatre voies 60 reliée à une entrée d'air frais extérieur 58, à la conduite 34 prélèvement d'air de la cabine 10, par une conduite 64 à l'entrée 18 du compresseur 15, et à une conduite 61 qui la relie à l'entrée du deuxième circuit de l'échangeur 20 intermédiaire. La vanne 55 à l'entrée de la chambre de mélange 26 du premier mode de réalisation est remplacée par une vanne quatre voies 62 reliée à une entrée 58 d'air frais extérieur, à une conduite 63 reliée à la sortie du deuxième circuit de l'échangeur 20 intermédiaire, à une sortie 59 d'air hors de la cabine 10, et par une conduite 67 à l'entrée de la chambre 26 de mélange. La vanne 49 à la sortie du condenseur 24 du premier mode de réalisation est remplacée par une vanne trois voies 65 présentant une sortie vers la chambre de mélange 26 et une autre sortie vers une bouche 59 d'évacuation de l'air hors de la cabine 10.The three-
En mode de refroidissement l'unité 30 de régulation place les différentes vannes 60, 62, 65 commandées dans l'état représenté
La vanne 60 relie l'entrée d'air 18 du compresseur 15 à l'entrée d'air frais extérieur 58 à la pression dynamique résultant du déplacement du véhicule à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Elle relie également la conduite 34 en provenance de la cabine 10 à la conduite 61 en communication avec le deuxième circuit de l'échangeur 20 intermédiaire.The
La sortie d'air 19 du compresseur 15 alimente le premier circuit de l'échangeur 20 intermédiaire qui constitue la passe chaude de cet échangeur 20 intermédiaire, le débit d'air comprimé réchauffé par le compresseur 15 étant refroidi dans cet échangeur 20 intermédiaire par le débit d'air circulant dans le deuxième circuit de l'échangeur 20 intermédiaire, qui constitue la passe froide de ce dernier. Le deuxième circuit d'air de l'échangeur 20 intermédiaire est alimenté par un flux d'air entraîné par au moins un ventilateur 21 électrique. Ce flux d'air peut être choisi parmi un flux d'air extérieur 58 prélevé à l'extérieur du véhicule à température ambiante, d'un flux d'air évacué de la cabine 10 par la conduite 34, et de leurs mélanges. Le flux d'air passant dans le deuxième circuit d'air de l'échangeur 20 intermédiaire est donc à une température comprise entre la température extérieure au véhicule et la température régnant dans la cabine 10. Après passage dans le deuxième circuit d'air de l'échangeur 20 intermédiaire ce flux d'air alimenté par la conduite 63 à la vanne 62 qui la met en communication avec la bouche 59 de sortie, de sorte que ce débit d'air est rejeté à l'extérieur. L'échangeur 20 intermédiaire est donc, dans ce mode de refroidissement, un échangeur 20 intermédiaire de refroidissement de l'air comprimé délivré par le compresseur 15.The
Le débit d'air comprimé et refroidi à la sortie du premier circuit de l'échangeur 20 intermédiaire suit le même circuit que dans le premier mode de réalisation jusqu'à la vanne 65 qui délivre le débit d'air refroidi à la chambre 26 de mélange.The flow of compressed and cooled air at the outlet of the first circuit of the
La détente dans la turbine 14 permet, là encore, de créer un travail mécanique qui s'ajoute à celui du moteur 12 électrique pour entraîner le compresseur 15 en rotation, et pour amorcer le cycle au démarrage. La turbine 14 permet ainsi d'augmenter le travail mécanique délivré au compresseur 15, la vitesse de rotation du moteur 12 étant ajustée par l'unité 30 de régulation pour obtenir une valeur de température à la sortie de la turbine 14 appropriée au refroidissement de l'air de la cabine 10, typiquement de l'ordre de -10° C.The expansion in the
La vanne 65 est ouverte de sorte que l'air sortant de la turbine 14 alimente la chambre 26 de mélange via le deuxième circuit du condenseur 24. La vanne 62 est supposée fermée entre l'entrée d'air frais 58 et la chambre 26 de mélange pour le point nominal de fonctionnement. Elle peut être plus ou moins ouverte en fonction d'une quantité de débit d'air frais extérieur 58 nécessaire pour alimenter la cabine en dioxygène.The
La chambre de mélange 26 est également alimentée en air de recirculation en provenance de la cabine via la conduite 29 par les ventilateurs 27, 28 qui alimentent également la cabine 10 en air provenant de la chambre de mélange 26.The mixing
Ainsi, en mode de refroidissement, le dispositif à cycle à air réalise un cycle à air en boucle ouverte directe à partir du turbocompresseur 11 motorisé. La pression dans la boucle correspond à celle délivrée par le compresseur 15, supérieure à la pression atmosphérique, typiquement de l'ordre de 3 105 Pa.Thus, in cooling mode, the air cycle device performs a direct open loop air cycle from the
Par contre, en mode de chauffage, le fonctionnement du dispositif à cycle à air selon le deuxième mode de réalisation est différent de celui du premier mode de réalisation. En mode de chauffage l'unité 30 de régulation place les différentes vannes 60, 62, 65 commandées dans l'état représenté
La vanne 60 reçoit de l'air à la conduite 34 en provenance de la cabine 10 et oriente une partie de cet air, correspondant au débit d'air à évacuer de la cabine vers l'extérieur en vue du renouvellement d'air dans la cabine, vers l'entrée 18 d'air du compresseur 15 par la conduite 64. Ce débit d'air suit le même circuit que dans le mode de refroidissement mais, à la sortie du deuxième circuit du condenseur 24, la vanne 65 oriente ce débit d'air vers la bouche 59 de sortie pour le rejeter à l'extérieur du véhicule.The
L'air issu du deuxième circuit de l'échangeur 20 intermédiaire a été réchauffé par le débit d'air comprimé délivré par le compresseur 15 dans le premier circuit de cet échangeur 20 intermédiaire. Ce débit d'air réchauffé délivré dans la conduite 63 est orienté par la vanne 62 à l'entrée de la chambre 26 de mélange pour produire les calories permettant le chauffage de la cabine. Ce débit d'air réchauffé provient du débit d'air alimenté à l'entrée du deuxième circuit de l'échangeur 20 intermédiaire qui peut être formé d'un débit d'air frais en provenance d'une entrée 58 d'air frais extérieur et/ou d'un débit d'air de recirculation en provenance de la cabine via la conduite 61 et la vanne 60.The air coming from the second circuit of the
Ainsi, dans ce deuxième mode de réalisation, en mode de chauffage, le circuit d'air principal circulant dans le turbocompresseur 11 et un débit d'air rejeté à l'extérieur, pouvant correspondre débit d'air à extraire de la cabine 10 pour le renouvellement de dioxygène dans la cabine 10, et qui sert à réchauffer le débit d'air alimentant la chambre de mélange 26 et donc la cabine grâce à l'échangeur 20 intermédiaire qui fait office d'échangeur de chauffage.Thus, in this second embodiment, in heating mode, the main air circuit circulating in the
Il est à noter que dans une variante non représentée de ce deuxième mode de réalisation, l'entrée d'air 18 du compresseur 15 peut être alimentée directement par une prise d'air spécifique en provenance de la cabine 10, par exemple pour le rejet d'air vicié vers l'extérieur, selon un conduit différent de l'air de recirculation et de chauffage passant dans le deuxième circuit de l'échangeur 20 intermédiaire.It should be noted that in a variant not shown of this second embodiment, the
Le tableau 3 ci-après donne, à titre d'exemple non limitatif, différentes valeurs typiques de débit, de pression et de température aux entrées et sorties d'air de la turbine 14 du compresseur 15 du turbocompresseur 11 pouvant être obtenues dans le deuxième mode de réalisation de l'invention en mode de chauffage.
En mode de refroidissement, les valeurs données dans le tableau 1 ci-dessus pour le premier mode de réalisation peuvent être obtenues de façon similaire avec le deuxième mode de réalisation.In the cooling mode, the values given in Table 1 above for the first embodiment can be obtained similarly with the second embodiment.
Un dispositif à cycle à air d'un véhicule selon l'invention peut en particulier se présenter sous forme d'un groupe de conditionnement d'air (ECS) compact d'un seul tenant intégrant l'ensemble de ses composants.An air cycle device of a vehicle according to the invention can in particular be in the form of a compact air conditioning unit (ECS) in one piece integrating all of its components.
Un même groupe de conditionnement d'air ECS d'un véhicule selon l'invention peut comporter :
- plusieurs dispositifs à cycle à air, chaque dispositif à cycle à air comportant au moins un turbocompresseur et au moins un jeu d'échangeurs de chaleur pour au moins un circuit d'air ;
- ou un unique dispositif à cycle à air comprenant un unique circuit d'air et un unique jeu d'échangeurs de chaleur et une pluralité de turbocompresseurs, les différents turbocompresseurs étant en communication de fluide avec ce même circuit d'air ;
- ou un unique dispositif à cycle à air avec un unique turbocompresseur en communication de fluide avec une pluralité de circuits d'air et une pluralité de jeux d'échangeurs de chaleur
- ou un unique dispositif à cycle à air comportant un unique turbocompresseur en communication de fluide avec un unique circuit d'air comprenant un unique jeu d'échangeurs de chaleur.
- several air cycle devices, each air cycle device comprising at least one turbocharger and at least one set of heat exchangers for at least one air circuit;
- or a single air cycle device comprising a single air circuit and a single set of heat exchangers and a plurality of turbochargers, the different turbochargers being in fluid communication with this same air circuit;
- or a single air cycle device with a single turbocharger in fluid communication with a plurality of air circuits and a plurality of sets of heat exchangers
- or a single air cycle device having a single turbocharger in fluid communication with a single air circuit including a single set of heat exchangers.
Un tel groupe de conditionnement d'air (ECS) réversible peut être multiplié à bord d'un véhicule terrestre selon l'invention en fonction de la puissance thermique froide ou chaude requise dans la cabine 10. Un même groupe de conditionnement d'air ECS peut être utilisé dans des véhicules terrestres selon l'invention très divers, pour les applications dans des zones très chaudes et/ou très humides, ou au contraire très froides et/ou très sèches. Un véhicule terrestre selon l'invention comprenant une pluralité de dispositifs à cycle à air et/ou une pluralité de groupes de conditionnement d'air permet également d'assurer un maintien au moins partiel de la fonction de contrôle environnemental dans la cabine 10 en cas de panne de l'un des dispositifs à cycle à air et/ou de l'un des groupes de conditionnement d'air. Il est à noter en particulier qu'il est possible d'augmenter la vitesse de rotation de chaque autre turbocompresseur pour pallier la déficience de l'un des turbocompresseurs, si le dimensionnement de l'installation est tel que la vitesse de rotation nominale en fonctionnement des différents turbocompresseurs est inférieure à leur vitesse maximale.Such a reversible air conditioning unit (DHW) can be multiplied on board a land vehicle according to the invention as a function of the cold or hot thermal power required in the
Un véhicule selon l'invention comportant une pluralité de dispositifs à cycle à air comprend avantageusement également une unité centrale de commande permettant de commander les différents dispositifs à cycle à air et leurs unités de régulation respectives. Rien n'empêche de prévoir que les fonctions des unités de régulation des différents dispositifs à cycle à air soient au moins pour partie centralisée dans une telle unité centrale de commande. De même, un véhicule selon l'invention comportant une pluralité de groupes de conditionnement d'air comprend avantageusement également une unité centrale de commande permettant de commander les différents groupes de conditionnement d'air, notamment les différents groupes de conditionnement d'air associés à une même cabine 10 du véhicule.A vehicle according to the invention comprising a plurality of air cycle devices advantageously also comprises a central control unit making it possible to control the various air cycle devices and their respective regulation units. Nothing prevents providing that the functions of the control units of the various air cycle devices are at least partly centralized in such a central control unit. Likewise, a vehicle according to the invention comprising a plurality of air conditioning groups advantageously also comprises a central control unit making it possible to control the various air conditioning groups, in particular the various air conditioning groups associated with the
Il va de soi que l'invention peut faire l'objet de très nombreuses variantes de réalisation par rapport au mode de réalisation décrit ci-dessus et représenté sur les figures. En particulier, au moins une boucle de refroidissement à fluide caloporteur liquide ou diphasique peut être associée en série ou en parallèle sur au moins un circuit d'air d'au moins un dispositif à cycle à air et/ou d'au moins un groupe de conditionnement d'air ECS d'un véhicule selon l'invention, pour le refroidissement de sources de chaleur à bord du véhicule, par exemple de circuits électriques ou électroniques de puissance.It goes without saying that the invention can be the subject of very many variant embodiments with respect to the embodiment described above and shown in the figures. In particular, at least one cooling loop with liquid or two-phase coolant can be associated in series or in parallel on at least one air circuit of at least one air cycle device and / or at least one group. for DHW air conditioning of a vehicle according to the invention, for cooling heat sources on board the vehicle, for example electric or electronic power circuits.
L'invention s'applique tout particulièrement avantageusement à un véhicule ferroviaire, notamment pour les trains de transport de passagers. Elle s'applique néanmoins à toute autres véhicules terrestres dans lesquelles les mêmes problèmes techniques se posent, notamment les véhicules roulants (voitures automobiles, bus, camions,...) et les véhicules se déplaçant sur l'eau (navires).The invention applies most particularly advantageously to a railway vehicle, in particular for passenger transport trains. It nevertheless applies to all other land vehicles in which the same technical problems arise, in particular rolling vehicles (motor cars, buses, trucks, etc.) and vehicles moving on water (ships).
Il doit être évident pour les personnes versées dans l'art que la présente invention permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans l'éloigner du domaine d'application de l'invention comme revendiqué. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, mais peuvent être modifiés dans le domaine défini par la portée des revendications jointes.It should be obvious to those skilled in the art that the present invention allows embodiments in many other specific forms without departing from the scope of the invention as claimed. Therefore, the present embodiments should be considered by way of illustration, but may be modified within the field defined by the scope of the appended claims.
Claims (13)
- Method for supplying air at a controlled temperature to a cabin (10) of a surface vehicle in which at least one air cycle device is used, comprising:- at least one turbocompressor (11) comprising:∘ a rotating compressor (15),∘ a rotating turbine (14),∘ a shaft (13) coupling the turbine and the compressor such that the turbine is able to rotationally drive the compressor,∘ an air inlet (18) of the compressor,∘ an air outlet (19) of the compressor delivering an airflow compressed by the compressor,∘ an air inlet (16) of the turbine arranged to receive a compressed airflow from the compressor,∘ an air outlet (17) of the turbine delivering an expanded cold airflow,- at least one exchanger (20, 23, 24, 32) interposed between the air outlet (19) of the compressor of at least one turbocompressor and the air inlet (16) of the turbine of at least one turbocompressor,characterised in that:- use is made of at least one turbocompressor (11) of at least one air cycle device comprising an electric motor (12) coupled to the compressor (15) so as to be able to deliver mechanical power to the compressor (15),- the air inlet (18) of the compressor (15) of at least one turbocompressor of at least one air cycle device is arranged to receive air at a pressure greater than or equal to atmospheric pressure,- each turbocompressor (11) of each air cycle device is associated with a set of controlled valves (40, 45, 49, 50, 55) and conduits, adapted to be able to be controlled in one operating mode selected at least from:∘ a heat pump heating mode in which:▪ the air inlet (18) of the compressor (15) is arranged to receive an expanded airflow from the turbine (14) via at least one heat exchanger, named intermediate heating exchanger (20), adapted to heat the expanded air delivered by the turbine (14) in contact with at least one air stream selected from an external air stream, a foul air stream to be vented out of the cabin, and mixtures thereof,▪ the compressed and heated air delivered to the outlet (19) of the compressor (15) of the turbocompressor passes through a first circuit of a heat exchanger, named cabin heat exchanger, adapted to heat an airflow for supply to the cabin (10) of the vehicle passing through a second circuit of the cabin heat exchanger, an outlet of the first circuit of the cabin heat exchanger being connected to the air inlet (16) of the turbine,∘ a cooling mode in which:▪ the air inlet (18) of the compressor (15) is arranged to receive air external to the vehicle,▪ the compressed air outlet (19) of the compressor (15) is connected to at least one heat exchanger, named intermediate exchanger (20), delivering a compressed air stream cooled by at least one air stream selected from an external air stream, a foul air stream to be vented out of the cabin, and mixtures thereof.
- Method according to claim 1, characterised in that the turbine (14) of each turbocompressor is arranged to deliver an expanded airflow at a pressure greater than or equal to atmospheric pressure.
- Method according to any one of claims 1 or 2, characterised in that in the cooling mode, the expanded cold airflow delivered by the air outlet (17) of the turbine is introduced into the cabin (10) of the vehicle.
- Method according to one of claims 1 to 3, characterised in that in the heating mode, said airflow for supply to the cabin (10) of the vehicle is formed by at least one airstream selected from an external air stream, a recirculation airstream from the cabin of the vehicle, and mixtures thereof.
- Method according to one of claims 1 to 4, characterised in that said set of controlled valves (40, 45, 49, 50, 55) and conduits is adapted to be able to be likewise controlled in an operating mode selected from a heating mode in which:- a foul air stream to be vented out of the cabin is supplied to the inlet of the compressor of the turbocompressor,- the compressed and heated air delivered to the outlet (19) of the compressor (15) of the turbocompressor passes through at least one exchanger (20, 23, 24) interposed between the air outlet of the compressor of at least one turbocompressor and the air inlet of the turbine of the turbocompressor,- and the air delivered to the outlet of the turbine of the turbocompressor is connected to an outlet orifice (59) to be ejected to the outside.
- Method according to one of claims 1 to 5, characterised in that the rotational speed of the electric motor (12) of each turbocompressor (11) is controlled based on a set thermal power to be delivered to the cabin (10) of the vehicle.
- Method according to one of claims 1 to 6, characterised in that the moisture of the compressed air delivered to the air inlet (16) of the turbine (14) is extracted upstream of this air inlet (16).
- Method according to claim 7, characterised in that the moisture is extracted by a moisture extraction loop (22) comprising a first circuit of a heating heat exchanger (23) receiving the compressed air stream from the intermediate cooling exchanger (20), a first circuit of a condensing heat exchanger (24), a liquid water extraction device (25), a second circuit of the heating heat exchanger (23) receiving the airflow delivered downstream of the liquid water extraction device (25) to heat it by the compressed airflow supplying the first circuit of the heating heat exchanger (23), and a second circuit of the condensing heat exchanger (24) receiving the expanded cold airflow delivered by the air outlet (17) of the turbine (14) to cool the compressed airflow passing through the first circuit of the condensing heat exchanger (24) so as to condense the moisture present in this compressed airflow.
- Surface vehicle comprising at least one air cycle device, comprising:- at least one turbocompressor (11) comprising:∘ a rotating compressor (15),∘ a rotating turbine (14),∘ a shaft (13) coupling the turbine and the compressor such that the turbine is able to rotationally drive the compressor,∘ an air inlet (18) of the compressor (15),∘ an air outlet (19) of the compressor (15) delivering an airflow compressed by the compressor,∘ an air inlet (16) of the turbine (14) arranged to receive a compressed airflow from the compressor (15),∘ an air outlet (17) of the turbine (14) delivering an expanded cold airflow,- at least one exchanger (20, 23, 24, 32) interposed between the air outlet of the compressor of at least one turbocompressor and the air inlet of the turbine of at least one turbocompressor,characterised in that:- at least one turbocompressor (11) of at least one air cycle device comprises an electric motor (12) coupled to the compressor (15) so as to be able to deliver mechanical power to the compressor,- the air inlet (18) of the compressor (15) of at least one turbocompressor of at least one air cycle device is arranged to receive air at a pressure greater than or equal to atmospheric pressure,- each turbocompressor (11) of each air cycle device is associated with a set of controlled valves (40, 45, 49, 50, 55) and conduits, adapted to be able to be controlled in one operating mode selected at least from:∘ a heat pump heating mode in which:▪ the air inlet (18) of the compressor (15) is arranged to receive an expanded airflow from the turbine (14) via at least one heat exchanger, named intermediate heating exchanger (20), adapted to heat the expanded air delivered by the turbine (14) in contact with at least one air stream selected from an external air stream, a foul air stream to be vented out of the cabin, and mixtures thereof,▪ the compressed and heated air delivered to the outlet (19) of the compressor (15) of the turbocompressor passes through a first circuit of a heat exchanger, named cabin heat exchanger, adapted to heat an airflow for supply to the cabin (10) of the vehicle passing through a second circuit of the cabin heat exchanger, an outlet of the first circuit of the cabin heat exchanger being connected to the air inlet (16) of the turbine,∘ a cooling mode in which:▪ the air inlet (18) of the compressor (15) is arranged to receive air external to the vehicle,▪ the compressed air outlet (19) of the compressor (15) is connected to at least one heat exchanger, named intermediate exchanger (20), delivering a compressed air stream cooled by at least one air stream selected from an external air stream, a foul air stream to be vented out of the cabin, and mixtures thereof.
- Vehicle according to claim 9, characterised in that the turbine of each turbocompressor (11) is arranged to deliver an expanded airflow at a pressure greater than or equal to atmospheric pressure.
- Vehicle according to any one of claims 9 or 10, characterised in that each air cycle device comprises a set of controlled valves (40, 45, 49, 50, 55) and conduits, and in that it comprises at least one control unit (30) adapted to be able to control each air cycle device in an operating mode selected from:- a heating mode in which compressed and heated air delivered to the outlet (19) of the compressor (15) of the turbocompressor (11) passes through at least one first circuit of a heat exchanger adapted to heat an airflow for supply to the cabin (10) of the vehicle,- a cooling mode in which:∘ the air inlet (18) of the compressor (15) is arranged to receive air external to the vehicle,∘ the compressed air outlet (19) of the compressor is connected to at least one heat exchanger, named intermediate cooling exchanger (20), delivering a compressed air stream cooled by at least one airstream selected from an external air stream, a foul air stream to be vented out of the cabin, and mixtures thereof.
- Vehicle according to one of claims 9 to 11, characterised in that it comprises a control unit (30) adapted to control the rotational speed of the electric motor (12) of each turbocompressor (11) based on a set thermal power to be delivered to the cabin (10) of the vehicle.
- Vehicle according to one of claims 9 to 12, characterised in that said set of controlled valves (40, 45, 49, 50, 55) and conduits is adapted to be able to be likewise controlled in an operating mode selected from a heating mode in which:- a foul air stream to be vented out of the cabin is supplied to the inlet of the compressor of the turbocompressor,- the compressed and heated air delivered to the outlet (19) of the compressor (15) of the turbocompressor passes through at least one exchanger (20, 23, 24) interposed between the air outlet of the compressor of at least one turbocompressor and the air inlet of the turbine of the turbocompressor,- and the air delivered to the outlet of the turbine of the turbocompressor is connected to an outlet orifice (59) to be ejected to the outside.
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